基于超級電容的地鐵列車再生制動能量利用分析

周春梅 岳立明 李桂娟

摘? 要：由于城市地鐵列車運行的特殊性，需要頻繁起停，進而容易造成電能的損耗。為了有效地回收列車制動能量，降低列車起停的電能損耗，通過構建超級電容儲能系統，高效地處理列車制動能量。在非隔離雙向DC/DC變換器的系統運行下，可以將列車制動的能量進行合理的轉化儲存，當列車加速驅動時，可以釋放出儲存的能力，提高了能量的利用效率。該文基于超級電容的地鐵列車再生制動能量利用設想，在仿真模擬實驗下論證該技術方案的可行性與安全性。

關鍵詞：超級電容;列車制動能量;儲能設備;非隔離雙向DC/DC變換器

中圖分類號：TM53? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著城市地鐵建設的不斷加快，列車制動能量利用項目已經得到了更多專家學者的重視。在列車制動的過程中，將牽引電機由耗電驅動狀態切換為發電儲能狀態，進而將列車制動的能量儲存輸出到直流牽引網當中，不僅有效地提高了能量的利用效率，并且延緩了列車制動造成的設備損耗。

1 非隔離雙向DC/DC變換器的超級電容系統分析

1.1 超級電容器

超級電容器是一種非常耐用的儲能設備，由于該設備采用了非常多的新材料和新工藝，因此該設備的儲能效率得到了很好的保證。該設備在能量儲存時不會發生劇烈的化學反應，儲能的效率較高且使用的壽命較長，可以作為理想的儲能設備。

1.2 能量轉換系統

在研究地鐵列車制動能量利用技術方案時，采用了非隔離雙向DC/DC變換器的超級儲能系統，該系統可以快速有效地轉換吸收列車制動產生的能量。在列車起動加速時，超級電容儲能設備可以快速地釋放能量為列車提供驅動電能，進而降低列車牽引網的電能損耗。通過超級電容儲能設備的應用，不僅合理地利用了列車制動的能量，并且合理地穩定了牽引網的電壓，提高了列車運行的穩定性與安全性。

1.3 能量利用特點

在列車制動的過程中，如果制動的能量沒有被合理的轉換吸收，超級電容的儲能系統當中的電壓傳感系統，則可以通過監測電壓的變化，進而判斷出儲能設備是否發生了實際效能。如該文提到了非隔離雙向變換器系統，就是通過Buck工作模式和Boost工作模式進行相互的轉換，進而保證了制動能量可以被有效吸收，同時吸收的能量值可以控制在系統設定的范圍之內，確保超級電容器可以穩定有序的正常工作。在超級電容器工作時，為了避免電流紋波和二極管產生反向的恢復電流，對儲能設備的運行造成一定影響。為此需要充分地發揮出三相雙向DC/DC變換器的并聯結構優勢，有效地解決這一問題，提高超級電容儲能設備運行的安全性與可靠性。

2 超級電容儲能系統的仿真實驗研究

2.1 實驗對象

在研究列車制動能量利用技術方案時，暫且不考慮列車的發車間隔密度，默認列車制動過程中產生的所有能量全部被超級電容儲能設備吸收，則可以完成后續的仿真模擬實驗。該文以我國A城市的某條地鐵線路為研究對象，該地鐵列車的制動初速度不超出60 km/h，因此在仿真實驗進行時，則以地鐵列車的制動初速度為60 km/h進行計算，同時選擇非隔離雙向DC/DC變換器的儲能電容器為儲能研究系統。該系統的單體電容值為3 500 F，單體的標準電壓為2.7 V，儲能系統的工作電流為600 A，最大的額定電流為1 240 A。當儲能系統的能力轉換效率為50%時，則該超級電容器的單體能量值E=1/2×CU2×75%=9 568J。

2.2 仿真實驗數據

通過進行仿真實驗并在能量約束法的計算下，得出了該超級電容的并聯個數為N×M=4 215，為了減少IGBT的電流應力，以此超級電容器的額定電壓設計為1 400 V，最低端的電壓為700 V。在考慮到制動能量裕量的影響下，超級電容器的串聯數N=550，而設備對應的并聯數M=9。因此在研究該列車的制動能量利用時，需要構建519×9=4 671個超級電容單體，而每一個電容單體的電容量為55 F。

在仿真實驗測試過程中將超級電容器的初始電壓設計為1 200 V，當列車起動時牽引網的電壓瞬間跌落到了1 400 V，而此時的牽引網功率為3 200 W。在列車制動時，牽引網的電壓升至1 760 V，在制動能量轉化之后，列車再次起動牽引網的消耗功率，出現了一定的減少。因為超級電容器為列車的再次起動提供了一定的電功率，因此列車再次起動時，列車的起動功率則降低到了1 600 W。由于列車制動過程中超級電容器吸收了部分能量，因此列車的牽引功率和制動功率出現了一定變化，進而使得牽引網的功率波動得到了有效改善。

2.3 數據論證分析

如圖1所示反饋出了列車仿真實過程中的各項數據資料，（a）是列車制動時的電壓變化，（b）是列車能量轉換時功率的變化，（c）是列車儲能的變化。

通過對列車運行周期內電壓、功率、儲能等數據資料的分析研究可知，當列車運行時，超級電容器釋放儲存的能量，此時的端電壓由1 200 V降低到了700 V，在超級電容設備不工作時，超級電容儲能設備的最大放電功率達到了3 300 W，完全釋放的能量為7.26 kW·h。在列車制動時，列車的端電壓升高到了1 255 V，此時超級電容器吸收了4 500 W的功率，對應的能量達到了8.29 kW·h，相對傳統的起動能耗節約了74%的電能。通過對非雙向轉換器超級電容系統進行仿真模擬實驗，在數據的計算統計下，充分地說明了該技術方案的可靠性與經濟性，可以科學合理地降低列車行駛過程中的能耗，提高列車運行的整體經濟性與可靠性。

3 結語

綜上所述，在利用城市地鐵列車制動能量時，為了確保該技術方案的可行性與可靠性，該文選擇我國某城市的列車運行參數和非隔離雙向超級電容器儲能系統進行仿真模擬研究，通過仿真模擬研究可知，合理地將列車制動能量轉化儲能系統，可以為列車的起動節省74%的能量，有效地提高了列車運行的安全性、可靠性與經濟性。

參考文獻

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