摘 要： 采用超級電容儲能裝置實現軌道交通工程存在的再生制動能量吸收功能，同時可以有效解決逆變回饋型節(jié)能裝置的再生能量倒送110 kV主變電所問題。本文以實際工程中的列車運行參數為基礎，對列車制動過程進行力學和電學分析，提出了電容儲能型節(jié)能裝置的整體設計方案。儲能型節(jié)能裝置包括雙向斬波器和超級電容組，斬波器主電路采用交錯并聯的雙向Buck-Boost電路，超級電容組采用串并聯方案；根據儲能裝置的電壓和電流需求，設計了超級電容組的串聯配置數量和并聯配置數量。建立了列車、整流機組和儲能裝置模型，并在此基礎上設計了儲能裝置中斬波電路的控制策略，實現儲能裝置在列車制動過程中能量的儲存功能和牽引過程中能量的釋放功能；最后以PWM整流器的功率源模式作為列車模擬源，模擬列車的牽引過程和制動過程，通過試驗驗證了斬波電路的控制策略和超級電容組的充放電特性，結果表明該儲能方案的斬波電路控制策略和電容組容量配置方案滿足要求。
關鍵詞： 超級電容；容量配置；Buck-Boost；控制策略
隨著國家對節(jié)能的日益重視，軌道交通工程中涌現出了多種類型的再生節(jié)能設備，其中以逆變回饋型和儲能型應用最為廣泛。儲能型節(jié)能設備僅與直流牽引網有接口，不存在再生能量倒送110 kV主變電所的情況，因此在發(fā)車密度較低、列車之間互相吸收比例較低的郊區(qū)或市域線路得到越來越多的研究和應用。
超級電容的功率密度大、充放電速度快，完美匹配軌道交通列車制動瞬時功率大、上升速度快的應用需求，在軌道交通行業(yè)內獲得了廣泛的應用。
1 整體方案
儲能型節(jié)能裝置包括雙向斬波器和超級電容組，通過直流開關柜接入到變電所的1500 V直流母線，如圖1所示。當列車制動時，再生能量返送到牽引網上，變電所直流母線電壓高于空載電壓，雙向斬波器進入Buck工作模式，將能量存到超級電容組中；當車輛牽引取流時，變電所直流母線電壓低于空載電壓，雙向斬波器進入Boost工作模式，將超級電容組中存儲的能量釋放出來。
圖1 儲能型節(jié)能方案
1.1 容量配置
1.1.1 列車制動計算
列車制動是列車在電制動力和阻力共同作用下車速降為零的過程，根據經典力學定律
(1)
式中，Fb為電制動力；f為平均阻力；m為列車計算重量，回轉質量系數按6%計算；a為列車制動減速度。
列車制動產生的反饋功率可表示為
(2)
式中，為制動速度；η為齒輪傳動系統(tǒng)的效率，取0.89；p0為輔助用電功率，取289 kW（功率因數為0.85）。
列車制動時，一部分動能用來克服阻力做功、齒輪傳動系統(tǒng)損耗和輔助用電設備消耗，剩余的能量全部轉換為電能并反饋到直流牽引網上，反饋的總能量可表示為
(3)
式中，為制動初速度；s為制動距離；t為制動時間。
濟南市域軌道交通R1號線采用DC1500V供電的B型列車，列車參數：2動2拖4輛編組，AW2車重200 t，最高運行速度100 km/h，輔助用電功率170 kVA×2，平均制動減速度-1 m/s2，平均阻力10 kN。
根據上述計算方法，列車單次制動的峰值功率為4705 kW，單次制動能量為17 kW·h。由于市域列車的發(fā)車密度較低，相鄰車互相吸收的比例低于20%，因此，反饋到變電所的峰值功率約為3764 kW，制動能量約為13.6 kW·h。
1.2 儲能裝置設計
根據列車制動計算的數據，儲能裝置的功率可確定為4000 kW，超級電容組的儲能不低于14 kW·h。
斬波器的主電路采用交錯并聯的Buck-Boost電路拓撲，超級電容充電時由上管的IGBT和下管的反并聯二極管構成降壓斬波電路，超級電容放電時由下管的IGBT和上管的反并聯二極管構成升壓斬波電路，多支路交錯并聯可以有效降低總輸出電流的紋波系數。
圖2 斬波器主電路拓撲
牽引網工作電壓范圍為1500～1800 V，因此超級電容組的充放電電壓可選擇為600～1200 V，采用標準的48 V/165 F超級電容模組，超級電容模組的串聯數為N=1200/48=25，為了確保電容組工作安全、留取一定的設計余量，可選擇26只超級電容模組串聯。
超級電容吸收的總能量為14 kW·h，因此電容容值為C=2E/，電容的并聯數為M=(93.3×26)/165=14.7，可選擇15只電容并聯。
1.3 控制策略
儲能裝置與整流機組、列車共同組成了電源-負荷系統(tǒng)，儲能裝置應選擇合適的控制策略，確保：①列車制動時，儲能裝置為超級電容組充電、同時整流機組退出運行；②列車牽引時，儲能裝置將超級電容組中的電能釋放出來、與整流機組共同為列車提供牽引能量。避免發(fā)生儲能裝置從整流機組抽取能量，或超級電容組的能量未及時釋放而導致列車再次制動時無法吸收再生能量。
建立列車、整流機組和儲能裝置的電氣模型，如圖3所示。整流機組的模型為電壓源與電阻的串聯，考慮到整流器僅具備單向變流能力，模型中需要串入二極管以防止整流機組電流反向，Ud0為整流機組的空載電壓，Rd0為等效內阻。列車的模型為功率源，功率的大小由列車的運行狀態(tài)決定，根據牽引計算過程得到。儲能裝置的模型為電壓源，Uc為穩(wěn)壓值，當超級電容充電時穩(wěn)壓值需高于空載電壓且低于系統(tǒng)允許最高電壓，當超級電容放電時穩(wěn)壓值需低于空載電壓且高于系統(tǒng)允許最低電壓。Rline為牽引網的線路電阻，由單位長度阻抗和線路長度決定。
圖3 儲能系統(tǒng)的模型
儲能裝置的控制特性需考慮與整流機組和列車的配合，如圖4所示，CD段為整流機組外特性曲線，ABC段為儲能裝置充電特性曲線、DE段為放電特性曲線。
圖4 儲能系統(tǒng)的控制特性曲線
Ud0為整流機組的空載電壓，通常為1650 V；Uinv為儲能裝置吸收能量時的穩(wěn)壓值，為了優(yōu)先保證車輛之間的互相吸收，可設置為1700～1800 V；Urec為儲能裝置釋放能量時的穩(wěn)壓值，可設置為1600～1500 V。
2 試驗驗證
由于試驗條件的限制，利用容量為500 kW的PWM整流器作為列車模擬源，測試儲能裝置的充放電特性，試驗波形如圖5所示。PWM整流器設定為功率源特性，以發(fā)出500 kW功率模擬列車制動工況，儲能裝置檢測到直流電壓升高到1700 V時進入降壓斬波模式，超級電容的電壓從初始電壓600 V充電至1200 V；再以吸收500 kW功率模擬列車牽引工況，儲能裝置檢測到直流電壓降低到1500 V時進入升壓斬波模式，超級電容的電壓從初始1200 V放電至600 V。
圖5 充放電波形
3 結論
本文研究了應用于城市軌道交通供電系統(tǒng)的超級電容儲能型節(jié)能設備的容量配置問題，確定了儲能裝置的功率和電量；設計了交錯并聯的雙向斬波電路和超級電容組的串并聯方案；在對列車、整流機組和儲能裝置建模的基礎上設計了儲能裝置的控制策略；最后通過模擬列車的牽引/制動試驗研制了超級電容的充放電特性，試驗結果表明了方案的可行性。本文的研究對超級電容儲能型節(jié)能設備在軌道交通工程中的應用具有一定的工程指導價值。
引用本文： 趙正一,俞葆青,孔德卿等.城軌超級電容儲能的容量配置和控制策略研究[J].儲能科學與技術,2020,09(05):1558-1561.
ZHAO Zhengyi,YU Baoqing,KONG Deqing,et al.Research on capacity configuration and control strategy of the super capacitor energy storage device for rail transit[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(05):1558-1561.
第一作者：趙正一（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為大功率電力電子裝置控制策略，E-mail：[email protected]。
