基于超级电容的地铁列车再生制动能量利用分析

周春梅 岳立明 李桂娟

摘  要：由于城市地铁列车运行的特殊性，需要频繁起停，进而容易造成电能的损耗。为了有效地回收列车制动能量，降低列车起停的电能损耗，通过构建超级电容储能系统，高效地处理列车制动能量。在非隔离双向DC/DC变换器的系统运行下，可以将列车制动的能量进行合理的转化储存，当列车加速驱动时，可以释放出储存的能力，提高了能量的利用效率。该文基于超级电容的地铁列车再生制动能量利用设想，在仿真模拟实验下论证该技术方案的可行性与安全性。

关键词：超级电容;列车制动能量;储能设备;非隔离双向DC/DC变换器

中图分类号：TM53                文献标志码：A

0 引言

随着城市地铁建设的不断加快，列车制动能量利用项目已经得到了更多专家学者的重视。在列车制动的过程中，将牵引电机由耗电驱动状态切换为发电储能状态，进而将列车制动的能量储存输出到直流牵引网当中，不仅有效地提高了能量的利用效率，并且延缓了列车制动造成的设备损耗。

1 非隔离双向DC/DC变换器的超级电容系统分析

1.1 超级电容器

超级电容器是一种非常耐用的储能设备，由于该设备采用了非常多的新材料和新工艺，因此该设备的储能效率得到了很好的保证。该设备在能量储存时不会发生剧烈的化学反应，储能的效率较高且使用的寿命较长，可以作为理想的储能设备。

1.2 能量转换系统

在研究地铁列车制动能量利用技术方案时，采用了非隔离双向DC/DC变换器的超级储能系统，该系统可以快速有效地转换吸收列车制动产生的能量。在列车起动加速时，超级电容储能设备可以快速地释放能量为列车提供驱动电能，进而降低列车牵引网的电能损耗。通过超级电容储能设备的应用，不仅合理地利用了列车制动的能量，并且合理地稳定了牵引网的电压，提高了列车运行的稳定性与安全性。

1.3 能量利用特点

在列车制动的过程中，如果制动的能量没有被合理的转换吸收，超级电容的储能系统当中的电压传感系统，则可以通过监测电压的变化，进而判断出储能设备是否发生了实际效能。如该文提到了非隔离双向变换器系统，就是通过Buck工作模式和Boost工作模式进行相互的转换，进而保证了制动能量可以被有效吸收，同时吸收的能量值可以控制在系统设定的范围之内，确保超级电容器可以稳定有序的正常工作。在超级电容器工作时，为了避免电流纹波和二极管产生反向的恢复电流，对储能设备的运行造成一定影响。为此需要充分地发挥出三相双向DC/DC变换器的并联结构优势，有效地解决这一问题，提高超级电容储能设备运行的安全性与可靠性。

2 超级电容储能系统的仿真实验研究

2.1 实验对象

在研究列车制动能量利用技术方案时，暂且不考虑列车的发车间隔密度，默认列车制动过程中产生的所有能量全部被超级电容储能设备吸收，则可以完成后续的仿真模拟实验。该文以我国A城市的某条地铁线路为研究对象，该地铁列车的制动初速度不超出60 km/h，因此在仿真实验进行时，则以地铁列车的制动初速度为60 km/h进行计算，同时选择非隔离双向DC/DC变换器的储能电容器为储能研究系统。该系统的单体电容值为3 500 F，单体的标准电压为2.7 V，储能系统的工作电流为600 A，最大的额定电流为1 240 A。当储能系统的能力转换效率为50%时，则该超级电容器的单体能量值E=1/2×CU2×75%=9 568J。

2.2 仿真实验数据

通过进行仿真实验并在能量约束法的计算下，得出了该超级电容的并联个数为N×M=4 215，为了减少IGBT的电流应力，以此超级电容器的额定电压设计为1 400 V，最低端的电压为700 V。在考虑到制动能量裕量的影响下，超级电容器的串联数N=550，而设备对应的并联数M=9。因此在研究该列车的制动能量利用时，需要构建519×9=4 671个超级电容单体，而每一个电容单体的电容量为55 F。

在仿真实验测试过程中将超级电容器的初始电压设计为1 200 V，当列车起动时牵引网的电压瞬间跌落到了1 400 V，而此时的牵引网功率为3 200 W。在列车制动时，牵引网的电压升至1 760 V，在制动能量转化之后，列车再次起动牵引网的消耗功率，出现了一定的减少。因为超级电容器为列车的再次起动提供了一定的电功率，因此列车再次起动时，列车的起动功率则降低到了1 600 W。由于列车制动过程中超级电容器吸收了部分能量，因此列车的牵引功率和制动功率出现了一定变化，进而使得牵引网的功率波动得到了有效改善。

2.3 数据论证分析

如图1所示反馈出了列车仿真实过程中的各项数据资料，（a）是列车制动时的电压变化，（b）是列车能量转换时功率的变化，（c）是列车储能的变化。

通過对列车运行周期内电压、功率、储能等数据资料的分析研究可知，当列车运行时，超级电容器释放储存的能量，此时的端电压由1 200 V降低到了700 V，在超级电容设备不工作时，超级电容储能设备的最大放电功率达到了3 300 W，完全释放的能量为7.26 kW·h。在列车制动时，列车的端电压升高到了1 255 V，此时超级电容器吸收了4 500 W的功率，对应的能量达到了8.29 kW·h，相对传统的起动能耗节约了74%的电能。通过对非双向转换器超级电容系统进行仿真模拟实验，在数据的计算统计下，充分地说明了该技术方案的可靠性与经济性，可以科学合理地降低列车行驶过程中的能耗，提高列车运行的整体经济性与可靠性。

3 结语

综上所述，在利用城市地铁列车制动能量时，为了确保该技术方案的可行性与可靠性，该文选择我国某城市的列车运行参数和非隔离双向超级电容器储能系统进行仿真模拟研究，通过仿真模拟研究可知，合理地将列车制动能量转化储能系统，可以为列车的起动节省74%的能量，有效地提高了列车运行的安全性、可靠性与经济性。

参考文献

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[2]邓文豪，肖彦君，吴茂杉.基于列车制动的超级电容型储能系统的参数设计与控制[J].铁道机车车辆，2018，30（4）：58-62.