轨道交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统研发

何海军

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213300）

1 引言

轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的运输系统，其具有节约用地、节约能源、速度快、运输量大等特点。由于轨道交通始终运行在专用的行车道之上，因此其不易受到其他交通工具的影响，且线路拥堵、外界气候等因素对列车行进行为的干扰影响也相对较小[1]。常规的轨道交通储能供电系统由外部电源、牵引供电系统、主变电所等多个结构共同组成。在货物供应需求不断增大的现实情况下，轨道交通货车轮轴所需的牵引力水平也会随之升高，此时由于储能余量的改变，电子量资源的利用效率也会逐渐下降。为避免上述情况的发生，传统的直流微网型供应系统[2]利用柔性体系对传输电子量进行处理，再按照轨道交通货车轮轴对于传输电子的消耗需求，将这些传输电量均匀分配至各级储能与供电机构当中。然而该传统系统的应用能力相对有限，并不能实现对货车轮轴余能量的有效收集与处理。

基于上述分析，本文研究了新型轨道交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统，在超级电容、双向DC-DC 变换器等多个硬件设备结构的作用下，实现对轮轴负荷特性的建模处理，再按照离散傅里叶变换原理，得到准确的储能电量约束控制条件。

2 储能供电系统总体结构

轨道交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统的硬件结构体系由超级电容、双向DC-DC 变换器、均流控制电路三部分共同组成。

2.1 超级电容

超级电容是一种双层型的电容器储能元件，其供电原理与蓄电池的氧化还原反应类似。在此过程中，由于超级电容元件阴极与阳极板材的存在，电解液交界面处会发生可逆的电化学反应，从而将电能转化为化学能存储于电容元件之中[3]。

当轨道交通货车轮轴智能均流控制电路同时对超级电容两个电极施加电压时，处于电解液之中的导体设备会直接与电解质相接触，从而致使电解液界面表层产生符号相反、方向相同的稳定双电层结构。在自由传输电子的作用下，这些物理电荷可跟随电场行为逐渐移动到与之符号完全相反的电极板材之上，这些点电荷的不断累积，促使超级电容元件具备了较强的余能收集能力[4]。超级电容器件储能原理如图1所示。

图1 超级电容器件储能原理

具体超级电容元件的储能量计算公式为：

其中，ε 表示电解液的储能介电常数，S表示电极材料的有效表面积数值，k表示电子粒径分布系数，d表示超级电容元件的电导率数值。

2.2 双向DC-DC变换器

双向DC-DC变换器以EN63 82 Q1主机作为核心搭建元件，同时掌管PVIN、AVIN、PGND、FQADJ等多个端口中的储能电子量传输行为，并可借助R 级电阻与C 级电容，将这些传输电子转化成既定电流与电压应用格式，从而存储于下级供电设备结构体之中，以供轨道交通货车轮轴元件的直接调取与利用。Vin接口端与储能供电系统的正极输入端相连，可接收在轨道交通货车轮轴转动过程中，未被完全消耗的传输电子，并可在超级电容元件的作用下，将剩余电子量转化成便于存储的应用格式，从而实现对轨道交通货车轮轴行为的有效控制[5-6]。Vout接口端与储能供电系统的负极输出端相连，在轨道交通货车轮轴转动过程中，所有传输电子都可经此通道进入系统的储能供电体系之中，一方面完善现有的电量应用及存储环境，另一方面也可较好干预由轨道交通货车轮轴行进而带来的电力资源消耗行为，从而实现对轮轴牵引力作用的持续促进。双向DC-DC 变换器结构示意图如图2所示。

图2 双向DC-DC变换器结构示意图

2.3 智能均流控制电路

智能均流控制电路能够提供储能供电系统所需的全部传输电子量，可在超级电容、双向DC-DC 变换器元件的作用下，对轨道交通货车轮轴的剩余能量进行收集与调度协调，从而使得系统储能元件中始终能够保持相对充盈的电量存储状态[7]。均流母线具有较高的电阻均值水平，可联合连接电阻结构，协调均流控制器中的电量传输行为。在传输电压数值得到放大的情况下，传输电流数值也会随之增大，此时轨道交通货车轮轴的转动速度加快，待收集的传输电子量数值水平也会开始升高[8-9]。电流采样指令必须在主功率变换单元的支持下才能够顺利进行，随着轮轴行进信号驱动量的增大，系统储能电压的数值结果也会得到有效促进，这也是储能供电系统应用能力能够得到较好保障的主要原因。

图3 智能均流控制电路示意图

3 轨道交通货车轮轴余能的智能收集控制

在各级硬件体系结构的支持下，按照轮轴负荷特性建模、离散傅里叶变换、约束控制条件定义的流程，实现轮轴余能的智能收集与控制，两相结合，完成轨道交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统的设计。

3.1 轮轴负荷特性建模

由于电能牵引力在相邻储能供电节点之间的数值结果应与轨道交通货车轮轴的实际耗能量相等，因此，设△T代表轨道交通货车通过相邻储能供电节点所需的时间，代表供电量消耗特征值，联立公式(1)，可将轨道交通货车轮轴余能的负荷特性建模条件定义为：

其中，ω1、ω2分别代表两个不同的货车轮轴余能收集系数代表相邻储能供电节点之间的电能消耗量均值。

3.2 离散傅里叶变换

离散傅里叶变换是通过数值干预手段对数据信息进行处理的方法，能够揭示输入信号在频域与时域方面的内在联系关系。经过离散傅里叶变换处理后的数据具备更强的信息反馈能力，可帮助系统应用主机准确掌握轨道交通货车轮轴能力的实际剩余情况，并针对其剩余数值制定合理的收集计划，从而使得储能供电系统的处理能力得到较好激发。

在频域与时域转换中，为得到最终的供电量存储数值，首先应对轨道交通货车轮轴的余能信息进行截取与过滤处理，再从中筛选出具有明显可收集特点的数据以用于后续的存储与应用，在整个处理过程中，傅里叶变换原理始终为数据信息的查找与筛查提供可参考的约束条件。

首先应对电子量信号进行频谱分析，当供电频率数值等于信号采样频率的一半时，极易出现明显的频域混叠行为，为避免上述情况的发生，应适当提升电量采样频率的数值结果，从而使得轨道交通货车的轮轴余能量得到有效激发。

假设x0代表最小的傅里叶离散系数，xn代表最大的傅里叶离散系数，n代表常规变换参量，联立公式(2)，可将轨道交通货车轮轴余能的离散傅里叶变换结果表示为：

其中，f代表电子量的频域存储系数，q代表电子量的时域存储系数代表轮轴动能的特征储能参量，代表轨道交通货车轮轴余能的离散化收集条件。

3.3 约束控制条件

约束控制条件构建是轨道交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统设计的末尾处理环节，随轨道交通货车轮轴牵引力数值的增大，超级电容两端所承载的物理电压量数值也会不断增大，直至系统储能供电调配主机能够较好控制双向DC-DC 变换器中电子量的传输变化能力。根据轨道交通货车轮轴余能的离散傅里叶变换结果可知。若控制系统的储能供电能力保持不变，则可认为待存储的电子数值总量越大，系统对于货车轮轴余能的约束控制能力也就越强。设m代表与超级电容元件匹配的电子量存储系数，联立公式(3)，可将储能供电系统的约束控制条件定义为：

其中，v1、v2分别代表两个不同的耗能电子供应参量，D代表电子量导流系数，β代表与轨道交通货车相关的电能运输条件。至此，完成各项理论系数值的计算与应用，在轨道运行环境中，实现交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统的研发。

4 检测实验

设计如下实验，验证轨道交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统的有效性。以图4所示的货车作为实验对象，分别令该车辆在固定距离的运输线路之间进行往返行驶，其中从出发点到结束点的运输过程搭载轨道交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统，作为实验组；从结束点到出发点的运输过程搭载传统的直流微网型供应系统，作为对照组。

图4 实验用轨道交通货车

QZT系数可用来描述供电系统为轨道交通货车轮轴所提供牵引动力的数值水平，若不考虑摩擦力条件对货车轮轴转动行为造成的影响，则可认为QZT系数值越大，供电系统为轨道交通货车轮轴所提供牵引动力水平也就越高。表1记录了QZT系数的实际数值结果。

表1 QZT系数值

分析表1可知，随着实验时间的不断延长，实验组QZT系数始终保持不断上升的数值变化趋势，且实验前期、实验后期的系数增大幅度并未出现明显数值差异；对照组QZT系数在一段时间的数值稳定状态后，开始逐渐趋于小幅上升的变化趋势，在达到最大数值结果后，又开始逐渐下降。从极限数值的角度来看，实验组最大值82．1%与对照组最大值48．1%相比，上升了34．0%。

SSZ 指标则能反映轨道交通货车轮轴对于电力储能量的利用率水平，为更好适应轨道交通的运输需求，规定SSZ指标数值越小，货车轮轴对于电力储能量的利用率水平越高，反之则越低。表2记录了实验组、对照组SSZ 指标数值的实际变化情况。

表2 SSZ指标数值

分析表2可知，随着实验时间的不断延长，实验组SSZ系数值在小幅上升状态后，开始逐渐趋于稳定，又在15min的数值稳定状态后，开始呈现不断下降的数值变化趋势；对照组SSZ系数则始终保持不断上升的数值变化趋势，但单纯从数值变化量的角度来看，实验前期上升幅度明显大于实验后期。在整个实验过程中，实验组最大值达到了32．5%，与对照组最大值59．5%相比，下降了27．0%。

综合上述实验数据结果可知：轨道交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统具有较强的应用可行性，也可突出说明其实际应用价值。

5 结束语

在直流微网型供应系统的基础上，轨道交通货车轮轴余能智能收集储能供电系统针对轮轴结构体牵引能力较弱的问题进行改进，在联合超级电容、双向DC-DC 变换器等多个硬件设备结构体的同时，对轮轴的负荷特性条件进行建模处理。不仅可对剩余能源量进行准确的离散傅里叶变换，也可实现对传输电子量的有效约束控制。从实用性角度来看，QZT 系数指标的增大、SSZ 系数指标的减小，能够提升储能供电系统所提供的牵引动力数值，从而加快对储能量的消耗与利用，较为符合轨道交通领域的实际应用需求。