1500V城軌系統再生制動能量的儲存利用

付志飛

近年來，我國城市交通發展迅速，且為人們的出行提供了較大的便利。隨著低碳環保型城市建設目標的制定與實施，城軌系統中再生制動能量的儲存與轉換已成為當前城市建設中的重點工作。本文以1500V城軌系統的再生制動能量儲存利用作為研究對象，通過分析實現系統再生制動能量儲存裝置的基本原理，進而對1500V城軌系統再生制動能量的儲存與利用方法展開了深入研究。

【關鍵詞】1500V城軌系統 再生制動能量 儲存利用

作為城市交通的重要組成部分，城軌系統的運行情況不僅關系著其交通的建設情況，而且對于節約環保型城市的建立也具有重要的影響。本文通過對1500V城軌系統再生制動能量儲存裝置的特點及其基本原理展開研究，進而對裝置的控制策略以及裝置內各個模塊功能的實現方法進行了詳細分析。

1 1500V城軌系統再生制動能量存儲裝置簡述

1.1 1500V城軌系統再生制動能量的儲存裝置特點

1500V城軌系統再生制動能量儲存裝置的特點為：以裝置吸收的制動能量得以充分利用為目標，在利用儲能模塊優化技術與能量管理技術的基礎上，降低城軌系統母線電壓的波動，進而達到優化車輛電制動的效果。

1.2 再生制動能量儲存裝置的基本原理

當城軌系統中的地鐵車輛處于再生制動的工作情況時，其所產生的再生制動能量并不能完全被本車的用電設備及系統中的其他車輛所吸收，進而使得系統母線電壓快速升高。而此時，系統線路中的1500V（超級電容）再生制動能量儲存裝置則會將多余的能量吸收，在對超級電容進行充電的情況下，使得裝置將系統多余的電能轉化為電容的電場能并將其儲存，從而達到控制系統母線線壓、最大限度發揮車輛電制動性能的目的。

此外，在電能的利用方面，當1500V城軌系統的供電區間內有車輛啟動或部分車輛具有供電需求時，超級電容在升壓斬波放電的情況下，可以將其內部的電場能轉化為電能，進而將電容存儲的電能進行釋放，回饋給直流母線以滿足相關電力需求。

2 1500V城軌系統再生制動裝置能量儲存的實現

2.1裝置模塊的設置及其特點

1500V城軌系統再生制動能量儲存裝置的模塊包括了超級電容模塊、電阻吸收模塊、蓄電池模塊以及逆變模塊。其中超級電容模塊的特點是：功率密度較高、充放電時間較短，且具有控制簡單和環保等優良特性，但模塊的單體耐壓較低，若單獨使用并不能滿足城軌系統再生制動能量儲存利用裝置的電壓與能量等級的要求。所以，根據其特點可知，在使用超級電容時，需要視情況進行串聯或并聯使用。超級電容吸收或釋放的總能量E=C（U22- U12），其中 與 分別表示裝置在整個充放電過程中母線電壓的最低值與最高值，C表示超級電容器組。電阻吸收模塊在整個再生制動能量儲存裝置中的作用是補充上述超級電容儲存模塊對母線降壓的不足，即當電容模塊對母線的降壓未達到制動能量儲存的標準或電容器組出現內部故障時，電阻吸收模塊則會將母線電壓穩定在U1—U2 之間，進而確保地鐵車輛可以有效利用電制動。

1500V城軌系統再生制動能量儲存裝置儲存并利用電壓的過程為：超級電容器持續充電使得電容電壓高于系統的蓄電池電壓時，超級電容則會自動對蓄電池進行充電，而上述電壓轉移的過程中則會使得直流母線的電壓持續升高，此時，蓄電池將會和電容一同吸收城軌系統的多余能量；而當超級電容放電使得直流母線電壓降低時候，則電容電壓要低于裝置內蓄電池的電壓，此時，蓄電池則會對電容進行充電，即蓄電池一起將儲存的電能回饋給城軌系統的電網中，使先前制動產生的多余能量得到充分利用。由此可見，上述過程對蓄電池本身的要求較高，根據實踐經驗可知，蓄電池應該選用放電性能較好的鋰電池。

逆變模塊的工作過程為整流電路、平波電流以及控制電路和逆變電路，其主要作用就是借助能量管理技術，將蓄電池中儲存的制動電能轉變為標準的工頻交流電能，并將其供給城軌系統中的部分負載，例如站內的照明、空調和風機等。

2.2裝置的控制策略

2.2.1雙向變換器的控制

雙向變換器就是在保持輸入或輸出電壓穩定的情況下，根據系統用電的具體要求改變電流的方向，進而達到雙向性電流運行的目的。1500V城軌系統中的雙向變換器的工作模式主要分為如下四種：

（1）初始充電模式，即以恒流模式對初始階段電容值為零時的超級電容進行充電，使超級電容具備滿足裝置運轉的電壓深度。

（2）充電模式，即當直流母線的電壓持續升高到城軌系統容納電壓的上限 時，超級電容開始運作，直接從直流母線吸收能量。

（3）放電模式，即直流母線電壓下降到系統下線電壓 時，超級電容則開始運作，開始向直流母線釋放能量。

（4）被有保持模式。當直流母線的電壓處于裝置放電模式與充電模式電壓之間時（U1—U2 ），利用電流與電壓雙閉環控制的降壓和升壓電路對超級電容的內部電壓進行微調，從而使電壓值維持在裝置所設定的電壓深度。

2.2.2超級電容的控制

根據2.2.1中雙向變換器的變換控制可知，超級電容的控制模塊主要具有三種工作狀態，分別為微調、放電和充電。微調、放電和充電根據城軌系統電網電壓的變化進行協調并互相轉化，使得裝置對電網電壓的優化性能得到了充分改善。

3 結論

本文通過對1500V城軌系統再生制動能量儲存裝置的特點及實現能量轉化與儲存的基本原理進行闡述，在對裝置的超級電容模塊、電阻吸收模塊、蓄電池模塊以及逆變模塊等各模塊功能實現方法進行研究的基礎上，進而對裝置的控制策略做出了具體分析。可見，未來加強對1500V城軌系統再生制動能量儲存與利用方法的研究力度，對于建設節約環保型城市并促進我國城市交通發展具有重要的歷史作用和現實意義。

參考文獻

[1]蘇玉京.基于儲能技術的城軌交通再生制動能量利用方案研究.[D].華中科技大學，2013.

[2]武利斌.基于超級電容器的城軌再生制動儲能仿真研究.[D].西南交通大學，2011.

[3]王鈞正.城市軌道交通供電系統再生電能利用技術研究.[D].華中科技大學，2011.

作者單位

武漢大學動力與機械學院 湖北省武漢市 430072endprint