车载超级电容地铁列车的节能策略研究

2020-07-19

魅力中国 2020年23期

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130000）

地铁列车的频繁制动和启动，往往伴随着电压幅值的变化，既容易影响供电质量也会产生的一定的环境污染，因此开展节能设计十分必要。而车载超级电容中的储能装置可在列车减速与加速时分别吸收和释放能量，故可从车载超级电容着手探讨地铁列车的节能策略。

一、车载超级电容地铁列车模型的构建

首先是建立列车路线模型。由于牵引模式下的地铁列车，其牵引逆变器的开关工作频率高，若简单的分析该因素则难以提高列车速度。所以在地铁列车能耗分析过程中无需考虑开关状态，而是基于功率流进行建模，为模拟列车行驶期间牵引网压与距离变化的关系，可将可变电阻用于牵引线路，同时基于受控电流源模拟列车牵引和制动电流，设定制动电阻启动时为1800V的电网电压[1]。

然后是设计超级电容储能系统。为尽可能的减少电网电压波动对供电质量的影响，可基于储能系统的结构特点（见图1），利用双向DC/DC 变换器对牵引电网与超级电容之间流动的能量进行控制，具体可采用电流与电压的双环回馈控制策略，分别以电压环和电流环作为外环和内环，经PI 控制器输出电压误差为电流环的参考值，后与其反馈值比较生成误差，经PI 和PWM 调制输出PWM 博，用于控制IGBT 占空比（控制模式见图2）。

最后是构建车载超级电容模型。因车载超级电容储能装置分为能量变换装置（双向DC/DC 变换器）和超级电容组，且两者的控制完全独立，故在地铁列车既有既能控制策略的基础上安装使用储能系统，并在建模环节合理设定额定电压、功率密度、电流峰值、电容值、质量、等效串联电阻等重要参数[2]。该模型设定1500V 为牵引网空载电压，能量变换装置的升压比和放电最大深度分别为3 和50%，工作区间为500V-1000V，经串联8 个超级电容模块形成回路达到构建车载超级电容模型的目的。

二、车载超级电容地铁列车的节能策略

（一）制动能量的完全吸收

由于地铁列车的制动伴随着大部分电能的回馈并由储能装置吸收，若将其充分用于列车加速环节为列车牵引提供能量则可实现节能。以某地铁列车节能控制为例，在其模拟仿真时将1.5MW 输送功率设为车载超级电容的启动要求，并设定列车途经两站距离与最大速度分别为1500m 和80km/h，然后仿真空载、额载、超载场景下列车的运行情况，结果显示：①无超级电容模式下，空载、额载、超载情况下的电网峰值电流分别为2300A、3521A、4000A，电网总能耗分别为24.51kWh、35.94kWh、40.39kWh，电网吸收电能分别为24.16kWh、35.17kWh、39.31kWh，回馈电能分别为11.18kWh、15.98kWh、17.66kWh。②车载超级电容模式下，空载、额载、超载情况下的电网峰值电流分别为2238.3A、3521A、4000A，电网总能耗分别为23.07kWh、34.55kWh、38.94kWh，电网吸收电能分别为22.78kWh、33.81kWh、37.89kWh，回馈电能分别为11.23kWh、16.05kWh、17.72kWh。

由此可知，无超级电容的情况下电网总能耗与列车牵引能耗分别为40.39kWh 和39.31kWh，而应用车载超级电容后两者分别变为38.94kWh 和37.89kWh，经计算能耗大约降低10%，且这只是一辆列车的节能仿真，故通过车载超级电容完全吸收制动能量具有显著的节能效果。

（二）电网峰值电流的降低

尽管车载超级电容节能控制模式可以回收利用制动能量，但其需要严格的启动条件，且随着列车功率需求的增大促使超级电容放电深度达到最大进而逐渐减小电流，显然不利于电网峰值电流的减小[3]。假设车载超级电容启动需要1.5MW 的功率，最大速度设定值为80km/h，为降低电网峰值电流实现节能就需要延迟电容的启动时间，以此获得最大的功率和足够的电流，由于超级电容为0.25%容量时便会及早降低放电电流，所以充分利用储能系统电能用于列车辅助系统供电，随后二次利用剩余能量，并将节省的容量存储下次列车制动的电能。虽然车载超级电容启动时间的长短会影响峰值电流的减小程度，但不管其何时启动峰值电流均会明显下降，进而改善列车的节能效益。