超级电容储能式有轨电车启动对供电系统的影响

张文波，雷建明

(南京工业职业技术大学，江苏 南京 210023)

0 引言

随着我国城市轨道交通的不断发展，储能式有轨电车越来越受到青睐，特别是基于超级电容的储能式有轨电车。成套的储能式有轨电车的供电系统一般包括整流变压器、12脉波或者24脉波整流器、BUCK斩波电路以及一些滤波回路[1-3]。在有轨电车实际运行中会出现不同的启动工况，包括停站充满电后离站，停站未充满电离站。下面就对这两种启动工况分别分析其对供电系统的影响。

1 方案设计

1.1 整体方案设计

成套供电系统包括：整流器前级三绕组变压器，二极管全桥整流器，BUCK斩波电路，系统如图1所示。12脉波整流器包括了一台三绕组移相变压器及其每个副边绕组各3个平衡电抗器，2台全桥三相不控整流器。其中三绕组移相变压器副边绕组一组采用Y接法，另一绕组采用△接法。

图1 有轨电车成套充电系统

整流器中采用平衡电抗器是防止两组整流器直接并联时会因为输入侧电压存在相位差导致输出电压瞬时值存在差异，这样会导致输出电压低的整流器被截止，从而使两组整流器出现交替性工作，这样降低了利用率。采用平衡电抗器后，降低了整流器的电流峰值，降低了输出电压的纹波。充电装置采用BUCK斩波电路，为了降低BUCK输出的电流、电压纹波，该回路一般设计成多相交错并联的方式[4-8]，选用四相交错并联的方式，每相相差90°，拓扑如图2所示。

图2 四相交错拓扑

1.2 充电装置控制策略

本次设计中，BUCK回路采用恒流-恒压切换方式，初始给超级电容充电时，BUCK工作于恒流模式，同时检测超级电容的电压，当其电压达到BUCK的恒压目标值时，BUCK控制模式切换为恒压模式，为了降低切环过程中带来的冲击，在进行切环时将原电流环的积分直接赋给电压环，此时以浮充方式继续给超级电容进行充电[9-10]。

1.3 超级电容模型

超级电容是一种介于电容器与电池之间的储能元件，它同时拥有两者的优点，其一般采用经典的等效模型电路，如图3所示。

图3 超级电容经典等效模型

图3中ESR是等效串联电阻，其决定了超级电容的充电速度以及最大输入输出功率，EPR是等效并联电阻，其决定了超级电容开路时自身的放电速度，也就是其自身的静态损耗。

2 工作原理

四相交错并联的BUCK电路根据其移相角度依次导通和关断，现就对工作状态进行分析。

IGBT导通和关断时的等效电路如图4所示。

图4 BUCK工作状态

如图4所示，(a)图是绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)导通时的等效电路，此时直流电源对电感和电容进行充电，在充电过程中电感上的电流逐步增加；(b)图是IGBT关断时的等效电路，电感在IGBT导通期间(DT)时间的储能后，对电容进行放电，放电时间为(1-D)T。

假设BUCK工作于电流连续状态，当IGBT导通时，电感上电流的变化率为：

当IGBT关断时，电感上电流的变化率为：

在一个开关周期内，ΔIon=ΔIoff，则单个BUCK回路中电流的变化率为：

式中，ΔU为输入输出电压差。

则四相交错并联的电流变化率为

由公式(4)可见，四交错的电流波动频率为单模块的4倍，当D＜0.25时，总的输出电流的波动值较单模块时减少很多。

3 实验仿真分析

按照图1所示的装置拓扑图，在PSCAD中进行搭建，交流侧输入电压10 kV，整流器变压器采用自耦的三绕组变压器，副边分别采用△/Y型接法，变比为10/1.18，整流器采用全桥不可控二极管构成，BUCK输入侧滤波电容容值为2 420 μF，BUCK输出滤波电感感值为0.2 mH，开关频率为2 kHz，充电电流为1 500 A，有轨电车恒压目标值为820 V。

(1) 工况一：有轨电车充满电离站，仿真波形如图5～8所示。

图5 有轨电车充满电充电电流

(2) 工况二：有轨电车未充满电离站，假定车辆在1s时离站，仿真波形如图9～12所示。

图6 有轨电车充满电充电电压

图7 整流器前级变压器电流(充满电)

图8 整流器前级变压器电压(充满电)

图9 有轨电车未充满电充电电流

图10 有轨电车未充满电充电电压

(3) 针对以上两种不同工况的启动分析。通过以上实验仿真分析，可以看出车辆充满电离站后，对整个供电系统的冲击非常小，几乎没有，且有轨电车经过了BUCK电路的恒流/恒压充电后，电容的SOC跌落很小，充电效果好；但在有轨电车车辆未充满电离站时，车载超级电容没有充满电，由于超级电容电压与充电电压存在电势差，导致充电电流仍较大，加上车辆启动电流的冲击，因此造成整流器前级变压器电流过电流，对整个供电系统的冲击很大。

通过图12可以看出，变压器原边电流突变较大，特别是B相电流，冲击达到额定电流的2.5倍，由于整个线路的阻抗较小，变压器电压出现了微小的畸变，此时也会影响变压器原边电网侧的电能质量，进而影响其他电气设备的安全运行。

图11 整流器前级变压器电流(未充满电)

图12 整流器前级变压器电压(未充满电)

4 建议措施

由以上分析知，在有轨电车车辆未充满电离站时，由于超级电容的充电电流叠加车辆启动电流的冲击，会导致系统过电流。

因此，为避免或减小过电流对系统的影响，提出如下建议与措施。

(1) 列车正在充电过程中，若列车启动离站，充电装置应能自动检测到并迅速停止充电，以减小对充电电源系统侧的冲击影响。

(2) 通过精确计算有轨电车在两站之间消耗的电能，合理设计车载超级电容的容量以及充电装置的容量，以此确保列车站内上下客时间内车载超级电容能充足电量的情况下离站。

5 结束语

目前，超级电容储能式有轨电车逐步在全国各大城市如广州、三亚、武汉投入运行，在其启动过程中也会出现不同工况，不同工况对整个供电系统影响不同。通过在PSCAD中搭建有轨电车整个供电系模型，模拟并分析了储能式有轨电车在两种不同的启动工况下对其供电系统的影响，并得出了结论，给出了建议措施。仿真结果与超级电容储能式有轨电车实际工程线路运行工况对供电系统的影响现象一致，为优化并完善有轨电车供电系统设计方案、保证整个供电系统的可靠运行提供了参考。