DC 1 500 V供電的城市軌道交通車輛超級電容儲能技術分析

曾先光 徐志榮 奚華峰

(南車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師)

目前，用于城市軌道交通領域的超級電容儲能裝置主要有西門子公司的SITRAS SES和龐巴迪公司的Mitrac En.Saver。這些裝置大都針對600V和750V的直流供電系統，其構成主要為雙向DC/DC變換器和超級電容儲能單元等。對于1 500 V的直流供電系統還沒有非常成功的使用案例。這是因為初始制動時，反饋的功率和電流非常大，且超級電容組電壓不工作在恒定電壓，而是在一個較大的范圍內變化。因此，對于DC 1 500 V供電系統，超級電容儲能裝置不僅設計難度大，成本也非常高。

1 超級電容儲能裝置主要參數

1.1 列車再生制動分析

1 500 V直流供電系統的車輛再生制動功率峰值非常大，并且持續時間短。例如，某城市地鐵為2動1拖、6輛編組，AW2(滿載)載荷下，電制動完全能滿足制動要求，其制動力曲線如圖1，列車再生制動的最大輪軸電功率為6 800 kW。

圖1 AW2載荷下制動力曲線

考慮傳動系統的效率，齒輪箱為97%，電機為94%，牽引逆變器為97%(電機和逆變器效率為非恒定值，本文按此值進行分析)，則列車反饋輸出的最大電制動功率Pback=6 800 kW×η=6 014 kW，其中η=97%×94% ×97%。由峰值功率和公式Iback=Pback/U(U為接觸網電壓)可以確定峰值電流也非常大。

此例中，列車在AW2(338 t)狀態下，電制動完全可以滿足80～6 km/h時的制動(列車速度小于8 km/h時，電制動開始淡出)。計算忽略轉動慣量、列車阻力，考慮傳動效率，則列車反饋輸出的再生制動總能量為:

1.2 超級電容儲能裝置主要參數分析

超級電容儲能裝置主要使用的拓撲結構如圖2所示。超級電容與供電網進行的能量交換是通過控制雙向DC/DC變換器對超級電容進行充放電來實現的。

圖2 儲能裝置拓撲結構

若按照列車反饋到接觸網的功率和能量設計儲能裝置，無疑增加了設計難度。因此，可考慮按1輛動車進行設計，然后再配置相同動車數量的儲能裝置，一樣可以滿足列車的電制動要求。

將Pback和Eback擬合到每輛動車進行均分，則每輛動車反饋到接觸網的最大功率為:

每輛動車反饋到接觸網的能量為:

假設反饋到接觸網功率最大、網壓也剛達到1 700 V時，儲能裝置開始工作，若超級電容組的電壓為初始電壓600 V，此時DC/DC變換器需要承受的最大電流約為:

選擇如此大電流的開關管比較困難，因此可以選擇2個1 500 A/3 300 V的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)并聯。

擬選擇額定工作電壓為2.7 V、絕緣電壓為2.85 V、容量為3 000 F、最大持續工作電流為150 A的超級電容。若放電深度?=0.5，則超級電容單體儲存的能量為:

若考慮吸收每輛動車的全部電制動能量(實際中可以考慮一個百分比)，則至少需要的超級電容個數為:

確定了超級電容的個數后，根據雙向DC/DC變換器的參數和模組工作電壓范圍，并考慮工作電流等因素，對超級電容的串并聯配置進行優化組合，以達到最佳的儲能狀態。例如375×6(共2 250個超級電容)的組合，其超級電容模組的最高工作電壓為1 012.5 V(放電深度為0.5時，最小工作電壓約為506.25 V，滿足變換器的升壓比)，絕緣電壓為1 068.75 V，最大持續電流為900 A。儲能裝置不是工作在持續的工作狀態，其最大電流為最大持續電流的3～4倍均可。

2 儲能裝置的設計優化

實際上，城市軌道交通車輛電制動能量的利用與行車密度有很大關系，如果行車密度大，則列車制動時反饋的電能就可提供給其他正在加速的列車使用。因此，沒必要按照最大電制動功率(或最大電流)設計DC/DC變換器的功率。

從圖1可知，在電制動過程中，再生制動的輪軸峰值功率6 800 kW只短時間出現在65 km/h附近。若允許列車在制動過程中網壓抬升，只要不超過1 800 V(制動電阻開啟電壓)，儲能裝置依然能夠起到很好的節能和穩定網壓的作用。

不妨考慮限制儲能裝置的最大工作電流，如最大工作電流為1 000 A，紋波電流為20%，則峰值電流為1 200 A。這樣，便可以選擇一個1 500 A/3 300 V的IGBT。

假設儲能裝置在初始工作時，以1 000 A的恒定電流將超級電容由500 V充電至850 V，然后不論列車反饋到接觸網的功率如何變化，以恒功率或限壓充電至1 000 V，充電電流減小。則給超級電容的初始充電功率為500 kW，最大充電功率為850 kW。

儲能裝置的儲能和抑制網壓的效果與其充電時間關系密切。375×6的超級電容組合的總容量C==48F，則以1 000 A電流將超級電容由500 V充電至850 V所需的時間t=ΔU·C/I=16.8 s。列車制動性能與時間的關系如圖3。

根據圖2和圖3擬合出圖4。即對每輛動車反饋的電制動功率(考慮了輔助逆變器消耗的功率)和儲能裝置吸收的功率。根據速度和制動時間繪制曲線(速度和時間變化一致)。

圖3 列車制動性能與時間的關系

圖4 儲能裝置功率與電制動反饋功率關系

圖4中，A1為左邊兩功率曲線間的面積，A2為右邊兩功率曲線間的面積，單位為kW，對時間積分即為能量。A2可通過調整充電時間(曲線斜率)來改變。這樣，儲能裝置的設計依據為:① A2表示的能量不會抬升網壓至(或超過)1 800 V;②A1不為負數，即儲能裝置吸收功率不小于電制動反饋功率。

因此，可通過調整儲能裝置的相關設計參數，將圖4優化為圖5的形式。即儲能裝置吸收的功率上升到與電制動反饋功率相等時，便與電制動反饋功率同步下降至零為止。這樣依然可滿足儲能裝置的設計依據。

另外，可以對儲能裝置進行模塊化設計，如DC/DC雙向變換器并聯或串聯以達到大功率的目的;超級電容模塊根據變換器結構進行配置，滿足能量儲存容量的需求;可通過不同的配置滿足不同的需求。模塊化設計的優點可以概況為以下幾個方面:

圖5 優化后的曲線

(1)可以減小每臺變換器的設計容量。儲能裝置由多個等單元組成，要達到一定容量的儲能裝置，只需優化配置等單元數量。

(2)超級電容模塊可以直接從供應商獲得。可選擇不同額定電壓、工作電流和容量的模塊;且模組內已做好了均壓等保護電路，設計時只需考慮模組之間的均壓等，降低了設計難度。

3 結語

本文針對DC 1 500 V供電的軌道交通車輛的再生制動特點，總結了超級電容儲能裝置設計的難點，并提出了相應的設計思路和優化設計方案。通過優化降低了設計難度。在滿足不同容量需求的應用時，使用模塊化設計減少了設計的周期和重復性，提高了大容量儲能裝置設計的可行性。

［1］徐長勤，宋德銀，董傳海.城市軌道交通再生制動能量儲存利用［J］.現代城市軌道交通，2005(6):18.

［2］鄧文豪，肖彥君，吳茂杉.基于列車制動的超級電容型儲能系統的參數設計與控制［J］.鐵道機車車輛，2010，30(4):58.

［3］王雪迪，楊中平.超級電容在城市軌道交通中改善電網電壓的研究［J］.電氣傳動，2009，39(3):77.

［4］池耀田.城軌交通系統儲能器的發展［J］.都市快軌交通，2005，18(3):1.

［5］陳武，阮新波，顏紅.多變換器模塊化串并聯組合系統［J］.電工技術學報，2009，24(6):56.

［6］李娜，楊儉，方宇，等.城市軌道交通車輛制動能量回收系統的儲能裝置與輔助電源控制研究［J］.城市軌道交通研究，2011(2):64.