無接觸網(wǎng)供電城軌車輛制動力分配策略研究

楊倫雙

0 引言

現(xiàn)代交通中有軌電車是一種開放式的軌道交通系統(tǒng)，其一般行駛在城市道路上，是一種平交制式的交通系統(tǒng)[1]。目前有軌電車的供電接觸網(wǎng)給城市景觀造成視覺影響，為了解決這一問題，一種現(xiàn)代有軌電車新型供電技術(shù)—無接觸網(wǎng)供電技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車中逐漸應(yīng)用。無接觸網(wǎng)供電技術(shù)是一種新型的為列車供電的技術(shù)，該技術(shù)消除了傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)及支柱對城市景觀的破壞，而且更加安全。無接觸網(wǎng)供電車輛主要有地面供電和車載儲能兩種技術(shù)類型，目前在一些項(xiàng)目中已經(jīng)成功投入商業(yè)運(yùn)營。

無接觸網(wǎng)供電車輛采用電機(jī)作為動力部件，在車輛制動過程中可以利用電機(jī)制動發(fā)電特性來回收制動能量。大約有30%～60%的能量被消耗在制動過程中[2～4]，提高車輛制動能量回收率對于降低電車能耗，增加無接觸網(wǎng)供電車輛續(xù)航里程具有重要意義[5，6]。目前，對車輛制動能量回收的研究主要集中在汽車領(lǐng)域，并且已取得了大量的研究成果，但在有軌電車方面國內(nèi)研究基本還處于發(fā)展階段，現(xiàn)有電車應(yīng)用的制動方法也多為比較簡單的策略。目前關(guān)于機(jī)械制動和電回饋制動轉(zhuǎn)矩的分配問題也均為憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的定性分析，缺乏詳細(xì)的理論分析和驗(yàn)證過程，各種制動模式差別也只是給出仿真結(jié)果，并沒有實(shí)際驗(yàn)證。

本文提出一種運(yùn)用于無接觸網(wǎng)供電車輛的制動能量回收優(yōu)化方法，通過對制動過程中無接觸網(wǎng)供電車輛總制動轉(zhuǎn)矩、電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩的計(jì)算并結(jié)合蓄電池所能吸收最大制動功率，得出機(jī)械制動制動轉(zhuǎn)矩，保證在制動過程中的最大電制動效果。

1 系統(tǒng)拓?fù)浼捌渥畲蟪潆婋娏鞯拇_定

1.1 系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

圖1 所示為無接觸網(wǎng)供電車輛動力部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，車輛供電采用耦合線圈與儲能模塊共同供電的方式，耦合線圈通過非接觸方式將交流電能傳送到車輛，車輛上整流模塊將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，在車輛啟動加速時(shí)整流模塊得到的直流電經(jīng)單向DC/DC，儲能模塊直流電能經(jīng)雙向DC/DC、DC/AC輸送給電機(jī)。制動過程中，電機(jī)產(chǎn)生的制動能量經(jīng)雙向DC/AC、DC/DC 輸送給儲能模塊[7，8]。

圖1 車輛動力系統(tǒng)拓?fù)?/p>

1.2 最大充電電流確定

為使制動過程中的制動時(shí)間t0內(nèi)蓄電池吸收最大的電能，需要計(jì)算合適的充電電流。充電電流ic(t)越大，儲能模塊存儲的電荷量越多，電能儲存的也就越多，相應(yīng)計(jì)算見式（1）—式（4）。

吸收的電荷量q：

式中：ΔQ為電荷變化量；Δt為充電時(shí)間；Q為充電電量；U為充電電壓；C為電容容量。

根據(jù)式（1）—式（4）推導(dǎo)可得，當(dāng)充電電流最大時(shí)儲能模塊存儲的能量將最大。因此，確定流進(jìn)儲能模塊的最大充電電流對制動能量回收率的提高有著至關(guān)重要的作用。

最大充電電流受到電路各部分參數(shù)的限制，下文將根據(jù)電流路徑分別討論異步電機(jī)允許最大電流、電力電子變換器件允許最大電流、儲能元件允許最大充電電流。

1.3 儲能元件允許最大充電電流icmax

不同儲能元件所能允許的最大充電電流不同，蓄電池中鈦酸鋰和三元鋰電池所允許的最大充電電流不同，選取不同的儲能元件應(yīng)確定合適的最大充電電流。對于三元鋰電池，若儲能元件為超級電容，由于超級電容具有較大的充放電能力，因此對充電電流限制的主要器件為雙向DC/DC。

1.4 DC/DC、DC/AC 允許的最大電流ibmax

電力電子變換電路允許的最大電流取決于器件具體的結(jié)構(gòu)，最大電流有效值不能超過其電流額定值iN、功率二極管正向平均電流iF、正向浪涌電流iFSM、晶閘管通態(tài)平均電流iT及通態(tài)浪涌電流iTSM。

若儲能選用超級電容，則對超級電容充電電流的限制主要為雙向DC/DC 允許的最大電流[9，10]。

1.5 異步電機(jī)允許的最大電流idmax

電機(jī)允許的最大電流取決于定子最大電流idmax，定子最大電流可以設(shè)定為電機(jī)運(yùn)行的額定電流，異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，保證電流有效值在額定電流以下可以保證電機(jī)的安全運(yùn)行。

2 能量回饋優(yōu)化方法

由異步電機(jī)定子側(cè)的電源頻率可以求得異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速n0：

式中：f0為定子繞組三相電源頻率；p為極對數(shù)。

當(dāng)異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)正常運(yùn)行，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)處于制動狀態(tài)，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。異步電機(jī)等效電路如圖2 所示。

圖2 異步電機(jī)等效電路

電機(jī)作為電動機(jī)工作時(shí)，滿足如下功率關(guān)系：

式中：Pmec為機(jī)械功率；P為超級電容充電功率；PCu及PFe分別為電機(jī)銅耗和鐵耗。

根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可以得到電制動轉(zhuǎn)矩Te：

式中：n為轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速；Ω為轉(zhuǎn)子角速度。

為化簡計(jì)算，忽略電機(jī)損耗以及雙向DC/DC的損耗，式（8）可化簡為

ic(t)滿足條件：

式中：ic(t)為蓄電池所允許的最大電流；U為蓄電池的端電壓。

根據(jù)功率可以求出設(shè)定的電流所提供的轉(zhuǎn)矩，將總的制動轉(zhuǎn)矩減去電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩則為所需要的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

制動過程中，由于工況已知，因此制動過程中車輛制動所需的總制動轉(zhuǎn)矩T可以確定，再根據(jù)求得的電制動轉(zhuǎn)矩Te，可以得到電制動轉(zhuǎn)矩所占的比例，即β值：

3 車輛參數(shù)匹配及計(jì)算

無接觸網(wǎng)供電車輛具體參數(shù)如表1 所示，其電機(jī)參數(shù)如表2 所示。

表1 車輛參數(shù)

表2 電機(jī)參數(shù)

車輛行駛過程中在不同的運(yùn)行工況下所受的力不同。

式中：a為加速度；ω0為單位基本阻力；fe為電制動力；β為坡度；fmec為機(jī)械制動力；Gd為包含回轉(zhuǎn)質(zhì)量的有軌電車總質(zhì)量；ρ空氣密度；g為重力加速度。m為有軌電車整備質(zhì)量；Aω、Bω、Cω為基本阻力系數(shù)，需根據(jù)列車型式試驗(yàn)測定；v為有軌電車速度。

車輛儲能模塊蓄電池可選取120 A·h、480 V鈦酸鋰電池，其放電電量可達(dá)到5～6 C，充電電量可到2～3 C。蓄電池具體參數(shù)如表3 所示。

表3 蓄電池參數(shù)

為簡化計(jì)算，假設(shè)電車在平直軌道運(yùn)行。根據(jù)制動過程工況計(jì)算車輛制動所需要的制動轉(zhuǎn)矩、電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩，兩者相減為所需要提供的機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩[11，12]。

4 仿真驗(yàn)證

在Simulink 中搭建仿真模型，對上述優(yōu)化方法結(jié)合車輛具體參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖3 所示為蓄電池SOC以及充放電電流波形。由圖3（a）可知，在制動過程中由于蓄電池吸收制動能量，蓄電池的SOC在增高；由圖3（b）可知，在制動過程中蓄電池充電量按3 C 計(jì)算，對于120 A·h 的蓄電池充電電流維持在360 A 附近，說明在制動過程中對機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩計(jì)算是較為準(zhǔn)確的，機(jī)械制動承擔(dān)了部分制動功率，因此充電電流得到了較好的控制。

圖3 蓄電池SOC、電流波形

圖4 所示為車輛運(yùn)行過程中需求功率分布，可知在牽引階段供電網(wǎng)和蓄電池的功率滿足了車輛運(yùn)行的功率需求，在制動過程中，由于流入蓄電池的電流被限制在最大值附近，因此流入蓄電池的功率被限制在300 kW 左右，蓄電池只吸收了制動總機(jī)械能量的一部分，剩余部分被機(jī)械制動所吸收。

圖4 制動功率分配

圖5 所示為仿真得到的車輛制動總制動轉(zhuǎn)矩、電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩、機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩。

圖5 制動轉(zhuǎn)矩

可以看出，機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩與電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩滿足了車輛制動轉(zhuǎn)矩的要求，說明本文所述方法較好地實(shí)現(xiàn)了電制動與機(jī)械制動制動轉(zhuǎn)矩的分配，滿足了車輛制動性能的要求。

5 結(jié)論

本文提出一種制動能量回收優(yōu)化方法，通過對無接觸網(wǎng)供電車輛制動過程中總制動轉(zhuǎn)矩、電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩的計(jì)算以及蓄電池所能吸收最大制動功率的計(jì)算，得出制動時(shí)機(jī)械制動制動轉(zhuǎn)矩，保證在制動過程中的最大電制動效果，并在Simulink 中搭建了仿真平臺進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）在無接觸網(wǎng)供電車輛制動能量回收中，儲能元件的性能對能量回收率的提高有非常大的影響。

（2）雙向DC/DC、DC/AC 裝置的過電流能力以及電機(jī)的性能都影響制動能量回收率。

（3）根據(jù)制動時(shí)制動功率以及制動轉(zhuǎn)矩的計(jì)算實(shí)現(xiàn)了制動過程中電制動與機(jī)械制動的合理分配，保證了在制動過程中實(shí)現(xiàn)能量回收的最大化。

本文所述方法對進(jìn)一步研究無接觸網(wǎng)供電車輛制動能量回收具有一定的參考價(jià)值。