DC 1 500 V供电的城市轨道交通车辆超级电容储能技术分析

曾先光 徐志荣 奚华峰

(南车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，工程师)

目前，用于城市轨道交通领域的超级电容储能装置主要有西门子公司的SITRAS SES和庞巴迪公司的Mitrac En.Saver。这些装置大都针对600V和750V的直流供电系统，其构成主要为双向DC/DC变换器和超级电容储能单元等。对于1 500 V的直流供电系统还没有非常成功的使用案例。这是因为初始制动时，反馈的功率和电流非常大，且超级电容组电压不工作在恒定电压，而是在一个较大的范围内变化。因此，对于DC 1 500 V供电系统，超级电容储能装置不仅设计难度大，成本也非常高。

1 超级电容储能装置主要参数

1.1 列车再生制动分析

1 500 V直流供电系统的车辆再生制动功率峰值非常大，并且持续时间短。例如，某城市地铁为2动1拖、6辆编组，AW2(满载)载荷下，电制动完全能满足制动要求，其制动力曲线如图1，列车再生制动的最大轮轴电功率为6 800 kW。

图1 AW2载荷下制动力曲线

考虑传动系统的效率，齿轮箱为97%，电机为94%，牵引逆变器为97%(电机和逆变器效率为非恒定值，本文按此值进行分析)，则列车反馈输出的最大电制动功率Pback=6 800 kW×η=6 014 kW，其中η=97%×94% ×97%。由峰值功率和公式Iback=Pback/U(U为接触网电压)可以确定峰值电流也非常大。

此例中，列车在AW2(338 t)状态下，电制动完全可以满足80～6 km/h时的制动(列车速度小于8 km/h时，电制动开始淡出)。计算忽略转动惯量、列车阻力，考虑传动效率，则列车反馈输出的再生制动总能量为:

1.2 超级电容储能装置主要参数分析

超级电容储能装置主要使用的拓扑结构如图2所示。超级电容与供电网进行的能量交换是通过控制双向DC/DC变换器对超级电容进行充放电来实现的。

图2 储能装置拓扑结构

若按照列车反馈到接触网的功率和能量设计储能装置，无疑增加了设计难度。因此，可考虑按1辆动车进行设计，然后再配置相同动车数量的储能装置，一样可以满足列车的电制动要求。

将Pback和Eback拟合到每辆动车进行均分，则每辆动车反馈到接触网的最大功率为:

每辆动车反馈到接触网的能量为:

假设反馈到接触网功率最大、网压也刚达到1 700 V时，储能装置开始工作，若超级电容组的电压为初始电压600 V，此时DC/DC变换器需要承受的最大电流约为:

选择如此大电流的开关管比较困难，因此可以选择2个1 500 A/3 300 V的IGBT(绝缘栅双极晶体管)并联。

拟选择额定工作电压为2.7 V、绝缘电压为2.85 V、容量为3 000 F、最大持续工作电流为150 A的超级电容。若放电深度∂=0.5，则超级电容单体储存的能量为:

若考虑吸收每辆动车的全部电制动能量(实际中可以考虑一个百分比)，则至少需要的超级电容个数为:

确定了超级电容的个数后，根据双向DC/DC变换器的参数和模组工作电压范围，并考虑工作电流等因素，对超级电容的串并联配置进行优化组合，以达到最佳的储能状态。例如375×6(共2 250个超级电容)的组合，其超级电容模组的最高工作电压为1 012.5 V(放电深度为0.5时，最小工作电压约为506.25 V，满足变换器的升压比)，绝缘电压为1 068.75 V，最大持续电流为900 A。储能装置不是工作在持续的工作状态，其最大电流为最大持续电流的3～4倍均可。

2 储能装置的设计优化

实际上，城市轨道交通车辆电制动能量的利用与行车密度有很大关系，如果行车密度大，则列车制动时反馈的电能就可提供给其他正在加速的列车使用。因此，没必要按照最大电制动功率(或最大电流)设计DC/DC变换器的功率。

从图1可知，在电制动过程中，再生制动的轮轴峰值功率6 800 kW只短时间出现在65 km/h附近。若允许列车在制动过程中网压抬升，只要不超过1 800 V(制动电阻开启电压)，储能装置依然能够起到很好的节能和稳定网压的作用。

不妨考虑限制储能装置的最大工作电流，如最大工作电流为1 000 A，纹波电流为20%，则峰值电流为1 200 A。这样，便可以选择一个1 500 A/3 300 V的IGBT。

假设储能装置在初始工作时，以1 000 A的恒定电流将超级电容由500 V充电至850 V，然后不论列车反馈到接触网的功率如何变化，以恒功率或限压充电至1 000 V，充电电流减小。则给超级电容的初始充电功率为500 kW，最大充电功率为850 kW。

储能装置的储能和抑制网压的效果与其充电时间关系密切。375×6的超级电容组合的总容量C==48F，则以1 000 A电流将超级电容由500 V充电至850 V所需的时间t=ΔU·C/I=16.8 s。列车制动性能与时间的关系如图3。

根据图2和图3拟合出图4。即对每辆动车反馈的电制动功率(考虑了辅助逆变器消耗的功率)和储能装置吸收的功率。根据速度和制动时间绘制曲线(速度和时间变化一致)。

图3 列车制动性能与时间的关系

图4 储能装置功率与电制动反馈功率关系

图4中，A1为左边两功率曲线间的面积，A2为右边两功率曲线间的面积，单位为kW，对时间积分即为能量。A2可通过调整充电时间(曲线斜率)来改变。这样，储能装置的设计依据为:① A2表示的能量不会抬升网压至(或超过)1 800 V;②A1不为负数，即储能装置吸收功率不小于电制动反馈功率。

因此，可通过调整储能装置的相关设计参数，将图4优化为图5的形式。即储能装置吸收的功率上升到与电制动反馈功率相等时，便与电制动反馈功率同步下降至零为止。这样依然可满足储能装置的设计依据。

另外，可以对储能装置进行模块化设计，如DC/DC双向变换器并联或串联以达到大功率的目的;超级电容模块根据变换器结构进行配置，满足能量储存容量的需求;可通过不同的配置满足不同的需求。模块化设计的优点可以概况为以下几个方面:

图5 优化后的曲线

(1)可以减小每台变换器的设计容量。储能装置由多个等单元组成，要达到一定容量的储能装置，只需优化配置等单元数量。

(2)超级电容模块可以直接从供应商获得。可选择不同额定电压、工作电流和容量的模块;且模组内已做好了均压等保护电路，设计时只需考虑模组之间的均压等，降低了设计难度。

3 结语

本文针对DC 1 500 V供电的轨道交通车辆的再生制动特点，总结了超级电容储能装置设计的难点，并提出了相应的设计思路和优化设计方案。通过优化降低了设计难度。在满足不同容量需求的应用时，使用模块化设计减少了设计的周期和重复性，提高了大容量储能装置设计的可行性。

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