城轨车辆车载式超级电容储能系统研究

成建国 吴松荣 张 一 郭世明 陈 静



城轨车辆车载式超级电容储能系统研究

成建国 吴松荣 张 一 郭世明 陈 静

摘 要：为了提高再生制动能量利用率，同时抑制直流牵引网电压波动，研究了多种储能型再生制动能量回收技术。为了减少牵引网线路损耗，采用了车载式超级电容储能系统。详细阐述了车载式超级电容储能系统控制策略，在实现储能装置充放电自由切换的基础上，有效保护储能装置。根据深圳地铁线路参数进行仿真，验证了该系统具有抑制牵引网电压波动和减少牵引网线路损耗的功能。

关键词：再生制动；车载式；储能系统；控制策略；牵引网损耗

成建国：深圳市地铁集团有限公司，高级工程师，广东深圳518000

0　引言

在城市轨道交通中，直流牵引变电所通过降压和整流装置向列车供电。由于能量的单向流动性，列车再生制动能量返回电网会导致牵引网电压升高。另一方面，地铁列车耗电量和所需功率随客流量变化较大，在早晚客流量高峰时，用电功率较大，而其余大多数时间，用电功率较小。但是牵引变电所必须按照最大需求功率设计，设备容量利用率不高。目前，再生制动能量回收技术主要包括逆变回馈型和储能型。由于储能装置不仅可以在列车制动时吸收能量，而且在列车启动时提供功率支撑，降低变电所设备功率等级。因此，储能技术成为再生制动能量回收方式的首选［1］。

针对再生制动能量回收问题，本文对比了蓄电池、飞轮、超级电容3种储能装置，详细阐述了各自优缺点。根据深圳某地铁线路运营参数，研究了车载超级电容储能方式和变换器控制策略。该方案不仅可实现再生制动能量的循环利用，并且能减小牵引网线路损耗，降低变电所设备功率等级。

目前，储能型再生制动能量利用方式主要有蓄电池储能、飞轮储能和超级电容储能。

1　储能型再生制动能量回收技术

列车再生制动具有瞬时功率高，充放电频繁切换等特征，要求储能装置具有功率密度大，循环寿命长等特点。

1.1蓄电池储能型

考虑到列车制动功率较大，蓄电池多采用镍氢电池和锂电池，并且采用多个装置并联。例如日本川崎的 Gigacell☒BPS［2］和法国 Saft 的 Intensium Max［3］系列产品，吸收功率可以达到1 MW，容量可达100 kW·h以上。

蓄电池储能系统原理如图1所示，蓄电池通过双向DC/DC 变换器并联在直流牵引供电网侧，可以大幅度提高蓄电池容量利用率。同时，蓄电池的充放电电流得到控制，有利于蓄电池的保护［4］。

蓄电池储能的主要缺点是充放电时间较长，且寿命有限。镍氢电池和锂电池虽然循环寿命较长，但是工作温度范围较窄，对工作环境要求较高。

1.2飞轮储能型

飞轮储能系统主要包括逆变器、电机、轴承和飞轮等，原理如图2所示。地铁列车制动时，电能通过逆变器和电机转化为动能，电机转子通过轴承带动飞轮旋转，将制动能量存储在高速旋转的飞轮中。在地铁列车启动时，飞轮转速下降，动能转化为电能。为了减小摩擦损耗，飞轮储能装置常置于真空环境中［5］。

图1　蓄电池储能系统原理图

图2　飞轮储能系统原理图

由于飞轮功率密度大，很适合需要频繁制动和启动的城市轨道交通场合。飞轮储能系统在国外已有长足的进步，早在1988年，日本京滨高铁采用飞轮储能系统吸收再生制动能量，节能可达12%。此外，在美国纽约、德国汉诺威、中国香港均有相关应用。在我国，仅在少数高校有相关学术研究，尚未有工程应用，与国外相比差距较大。而造价较高、工作条件苛刻等缺陷一度限制了飞轮的应用。

1.3超级电容储能型

超级电容是容值可达数千法拉的电容器，其充放电过程无能量转换，只涉及电能交换，效率很高，循环寿命长［6］。超级电容储能型再生制动能量吸收方式可分为车载式和地面式2种，原理如图3所示。

为了维护方便，地面式储能系统通常安装在牵引变电所。由于接触网存在阻抗，在列车牵引运行时会造成接触网线路损耗，而车载式储能系统安装在车上，存储制动能量无需经过接触网，避免了接触网线路损耗。车载储能装置容量配置仅需考虑列车自身制动功率和能量，而地面式储能装置需要综合考虑发车密度、供电区间长度等因素，容量配置较为困难。

1.4应用分析

由于地铁站间距离短，列车一般运行3 min 完成一次循环启动和制动。储能装置需要在放电和充电模式之间频繁切换，对循环寿命要求很高，并且制动功率高达数兆瓦。因此，飞轮和超级电容更适合再生制动场合。飞轮储能对运行环境要求较高，从国外应用经验来看，往往采用地面式安装方案，可以避免机械振动等对装置的影响。基于上述因素，本文研究车载超级电容储能系统。

图3　超级电容储能系统原理图

2　车载式超级电容储能系统及控制策略

为了分析车载式超级电容储能装置，首先需要确定储能系统结构。储能装置除了满足充放电等需求外，更重要的是对车上装置的保护，防止储能装置造成过压和过流等。

图4　车载式超级电容储能系统原理图

2.1车载式超级电容储能系统

车载式超级电容储能系统原理如图4所示，图4a 中R 为斩波电阻，当储能系统失效时投入工作，C 为机车滤波电容，单个超级电容模块通过3通道双向变换器与滤波电容并联。pSub、pEDLC和pLoad分别为变电所输出功率、储能装置功率和列车负载功率，功率流向与图中方向一致。以4动2拖编组列车为对象，采用4套超级电容储能系统，分别安装在4节动车上。

图4b 为3通道双向变换器，每个通道负担1/3负载电流，可减小每个通道电流应力。同时采用交错控制，可以减小电流纹波。

2.2储能系统控制策略

图5所示为储能系统控制策略框图，制动电阻在牵引网电压超过1800 V 时投入使用。图5a 所示为双向变换器控制环，本文采用经典的电压外环、电流内环控制策略。vBusREF为给定电压值，与 vBus误差值经过电压控制器以及电流限幅器得到电流参考值 iEDLCREF。该参考值与超级电容充放电电流 iEDLC的差值经过电流控制器补偿，通过载波调制得到三相变换器驱动信号。

图5　储能系统控制策略框图

为了将超级电容电压控制在给定范围［VEDLCMin，VEDLCMax］，超级电容充放电电流必须控制在一定范围内。当超级电容端电压接近上下限时，不能再对其进行大电流充放电，而为了防止超级电容突然切除可能带来的系统误动作，充放电电流不能瞬间给定为零。图5b为超级电容电流限幅控制原理图，根据相似三角形性质，超级电容电流给定限幅值［IEDLCMin，IEDLCMax］ 由公式（1）、（2）给出［7］。

在公式（1）、（2）中，IEDLCRated为超级电容最大充放电电流，由超级电容自身参数决定，Δv 为等效内阻引起的平均压降。

当超级电容电压 vEDLCMea（t） 在区间［VEDLCMin+Δv ，VEDLCMax-Δv+］内时，电流参考值 iEDLCREF被限制在区间［-IEDLCRated，IEDLCRated］。当不在此电压区间时，随着超级电容电压靠近给定范围，电流参考值开始线性减小。

考虑超级电容处于充电工作模式，假设超级电容最大工作电压 VEDLCMax=1400 V，额定充电电流IEDLCRated= -3294 A，Δv =20 V。当超级电容电压小于1380 V 时，IEDLCMin= -3294 A，当超级电容电压为1390 V 时，IEDLCMin= -1647 A，当超级电容电压为1400 V 时，IEDLCMin= -0 A。同理可以分析超级电容放电时的情况。

3　储能系统容量配置

为了验证储能系统和控制策略的正确性，根据图4车载式超级电容储能系统原理图，基于 MATLAB/ Simulink 搭建了车载式超级电容储能系统。针对深圳某地铁线路进行仿真，接触网线路电抗在直流供电系统中一般为0.04 Ω/km、1 mH。假设列车位于某供电区间1/2处，根据地铁A型车车辆参数及编组方式（4动2拖），单台电机额定功率为190 kVA，列车传动比为6.6875，车轮直径为840 mm，以满载、制动初速度为60 km/h 进行仿真。图6所示为列车运行功率及能耗图，0～t1为列车启动阶段，0～t2为列车牵引阶段，t2～85 s 为列车制动阶段。

由图6可知，列车牵引能耗约为12.27 kW·h、最大启动功率为4.7 MW，再生制动能量约为11.16 kW·h，最大制动功率为5.8 MW。列车牵引能耗与制动能量比较接近，主要是由于该供电区间站间距离很短。因此，理论上储能装置可回收能量为11.5 kW·h。

为了尽量降低双向变换器电流应力，将超级电容工作电压设计为［700 V，1400 V ］。根据超级电容能量计算公式 E =1/2×CU2，计算出超级电容容量约为55F。

图6　列车运行功率及能耗波形

4　仿真分析

假设超级电容初始电压为1200 V，投入储能装置后超级电容电压、功率以及储能波形如图7所示，由图7可知，列车牵引时超级电容释放能量，端电压由1200 V 下降至700 V，最大输出功率为3.5 MW，完全释放能量7.26 kW·h；列车制动时超级电容储存能量，端电压由700 V 上升至1255 V，最大吸收功率4.5 MW，储存能量大约为8.29 kW·h，约为再生制动能量的74.02%。

图7　超级电容电压、功率、储能变化波形

图8所示为牵引网电压、变电所输出功率和牵引网线路损耗对比波形。由图8可知，无储能装置情况下，列车启动时网压会跌落至1300 V，变电所输出功率最大4.8 MW，制动工况下网压会升高至1800 V，制动电阻一直投入工作，牵引网线路损耗约为1.39 kW·h。

配置储能装置后，列车启动阶段网压跌落至1400 V，变电所最大输出功率约为3.3 MW。制动阶段网压最高1760 V，制动电阻并未投入工作，牵引网线路损耗约为0.3 kW·h。

因此，配置储能装置可以在列车牵引时释放能量，提供功率支撑，降低变电所输出功率，同时缓解网压跌落状况；在列车制动时吸收能量，防止网压升高，可以取代制动电阻。列车经过牵引与制动1次循环，可以减少牵引网线路损耗1.09 kW·h。

从上述分析可知，车载式超级电容储能系统可有效利用列车再生制动能量，且能抑制网压波动，减小牵引网线路损耗。

图8　牵引网侧电压、变电所功率及线路损耗波形

5　结论

本文对比了多种储能型再生制动能量回收技术，车载式超级电容储能系统具有功率密度高，循环寿命长等优势。根据某实际地铁线路情况，确定了车载式超级电容储能系统参数，详细阐述了双向变换器控制策略。通过仿真研究，验证了车载式超级电容储能系统具有抑制网压波动、减小牵引网线路损耗和提高再生制动能量利用率等功能。

参考文献

［1］ 王雪迪. 基于城市轨道交通车辆的超级电容储能系统的研究［D］. 北京：北京交通大学，2008.

［2］ Ogura K.，Nishimura K.，Matsumura T.，et al. Test Results of a High Capacity Wayside Energy Storage System Using Ni-MH Batteries for DC Electric Railway at New York City Transit［C］//Green Technologies Conference （IEEE-Green）. Baton Rouge，LA: IEEE，2011:1-6.

［3］ Poulin J，Gillespie A，Morelock K.，et al. SEPTA recycled energy optimization project with regenerative braking energy storage［C/OL］.2012Rail Conference.［2012-06-06］. http://www.apta.com/mc/rail/ previous/2012/papers/Papers/Poulin-J-SEPTARecycled-Energy-Optimization-Project.pdf.

［4］ M Barcaglioni，F Gaddi，R Giglioli，et al. Battery storage plant to improve energy saving and security of subway electric supply［C］. //International Conference on Electric Railways in a United Europe. Amsterdam: IET，1995:87-91.

［5］ 蒋启龙，连级三. 飞轮储能在地铁系统中的应用［J］.变流技术与电力牵引，2007（4）：13-17.

［6］ M Brenna，F Foiadelli，E Tironi，et al. Ultracapacitors application for energy saving in subway transportation systems［C］. //Internatonal Conference on Clean Electrical Power. Capri: IEEE，2007:69-73.

［7］ Phatiphat Thounthong，Stéphane Ra☒l，Bernard Davat. Control Strategy of Fuel Cell and Supercapacitors Association for a Distributed Generation System［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54（6）:3225-3233.

责任编辑 冒一平

Study on On-Board Supercapacitor Energy Storage System of Transit Vehicle

Cheng Jianguo, Wu Songrong, Zhang Yi, et al.

Abstract:In order to improve the utilization of regenerative braking energy, meanwhile to suppress DC traction network voltage fluctuation, the paper studies regenerative braking energy recovery technology on a variety of energy storage types. In order to reduce the traction network line loss, the vehicle uses on-board supercapacitor energy storage system. The paper describes the control strategy of the system based on automatic switching of the energy storage device for charging and discharging on the effective protection of the energy storage device. Carrying out the simulation based on the data of a metro line, it verifi es the system which has the function of control of traction network voltage fl uctuation and reduction of the loss of catenary line.

Keywords:regenerative braking, on-board, energy storage system, control strategy, catenary line loss

中图分类号：U264.91+6∶U260.35+9

基金项目：广东省省部产学研结合项目（2012B090500022）

收稿日期2015-12-23