車載超級電容地鐵列車的節(jié)能策略探析

王學(xué)安 徐士強(qiáng)

摘 要：地鐵列車在運行過程中，需要大量的電能維持，因此，使用車載超級電容吸收和二次利用列車制動過程中產(chǎn)生的電能成為人們關(guān)注的重點。基于此，本文首先對地鐵列車和車載超級電容進(jìn)行建模，從完全吸收制動能量的車載超級電容節(jié)能策略、減小電網(wǎng)峰值電流的超級電容節(jié)能策略等方面論述了車載超級電容地鐵列車的節(jié)能策略。

關(guān)鍵詞：車載超級電容;地鐵列車;節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.037

1 地鐵列車和車載超級電容的建模

1.1 列車運行路線模型的建立

在對地鐵列車運行路線進(jìn)行建模過程中，由于地鐵列車在牽引模式下，其電氣系統(tǒng)內(nèi)部的牽引逆變器會在較高頻率下進(jìn)行開關(guān)工作。如果單純的分析牽引逆變器的關(guān)斷和開通過程，那么仿真程序中地鐵列車的運行速度是很難提高的。可以認(rèn)為在分析地鐵列車能耗過程中，不需要考慮其仿真模型的開關(guān)狀態(tài)。因此，在建立列車運行線路模型過程中，應(yīng)用功率流建模是最佳的方式，牽引網(wǎng)的線路應(yīng)用可變電阻，這樣就可以對地鐵列車行駛過程中，其距離變化和牽引網(wǎng)壓之間的關(guān)系進(jìn)行模擬。除此之外，列車應(yīng)用受控電流源對列車的制動電流和列車牽引進(jìn)行模擬，并且設(shè)定啟動制動電阻時，電網(wǎng)電壓為1800V。

1.2 車載超級電容模型的建立

車載超級電容中的儲能裝置構(gòu)成部分主要有兩方面：其一是雙向DC-DC變換器（能量變換裝置）;其二是車載超級電容組。控制能量變換裝置和控制地鐵列車中的牽引逆變器是兩個完全獨立的環(huán)節(jié)。因此原有地鐵列車節(jié)能控制策略不變的情況下，車載超級電容中的儲能系統(tǒng)就可以安裝在列車中，并且使用。在對車載超級電容進(jìn)行建模過程中，所需要的參數(shù)有電容值、額定電壓、等效串聯(lián)電阻、功率密度、質(zhì)量、電流峰值。牽引網(wǎng)在空載時設(shè)定其電壓為1500V，能量變換裝置的升壓比設(shè)定為3，將最大放電深度設(shè)定為50%，工作范圍設(shè)定為500-1000V，然后在將8個超級電容模塊串聯(lián)在一起，使其形成一個回路。這樣便完成了車載超級電容的建模。

2 車載超級電容地鐵列車的節(jié)能策略

2.1 完全吸收制動能量的車載超級電容節(jié)能控制

在地鐵列車制動過程中，會回饋大部分電能，因此，要充分利用車載超級電容儲能裝置中吸收的制動能量。在地鐵列車加速過程中，將制動時回饋的電能釋放出來，為牽引列車提供能量，從而達(dá)到車載超級電容地鐵列車的節(jié)能策略。

例如：在某地鐵列車節(jié)能控制仿真過程中，設(shè)定車載超級電容的啟動條件為地鐵列車輸送功率為1.5MW時，列車的最高速度為80km/h，地鐵列車途徑兩站之間的距離為1500m，分別對空載、額定荷載、超載等三種情況進(jìn)行列車運行仿真。仿真結(jié)果為：（1）無超級電容時，空載的電網(wǎng)峰值電流為2300A，額定荷載的電網(wǎng)峰值電流為3521A，超載的電網(wǎng)峰值電流為4000A;空載的電網(wǎng)總耗能為24.51kWh，額定荷載的電網(wǎng)總耗能為35.94kWh，超載的電網(wǎng)總耗能為40.39kWh;空載的電網(wǎng)吸收電能為24.16kWh，額定荷載的電網(wǎng)吸收電能為35.17kWh，超載的電網(wǎng)吸收電能為39.31kWh;空載的回饋電能為11.18kWh，額定荷載的回饋電能為15.98kWh，超載的回饋電能為17.66kWh;（2）車載超級電容的仿真數(shù)據(jù)是空載的電網(wǎng)峰值電流為2283.8A，額定荷載的電網(wǎng)峰值電流為3521A，超載的電網(wǎng)峰值電流為4000A;空載的電網(wǎng)總耗能為23.07kWh，額定荷載的電網(wǎng)總耗能為34.55kWh，超載的電網(wǎng)總耗能為38.94kWh;空載的電網(wǎng)吸收電能為22.78kWh，額定荷載的電網(wǎng)吸收電能為33.81kWh，超載的電網(wǎng)吸收電能為37.89kWh;空載的回饋電能為11.23kWh，額定荷載的回饋電能為16.05kWh，超載的回饋電能為17.72kWh。

由上述結(jié)果可知，在沒有超級電容時，電網(wǎng)的總耗能為40.39kWh，列車的牽引能耗為39.31kWh;在加入車載超級電容之后，電網(wǎng)的總耗能為38.94kWh，列車的牽引能耗為37.89kWh，能耗下降了大約10%，這僅僅是一輛地鐵列車的仿真結(jié)果，所以完全吸收制動能量的車載超級電容節(jié)能控制是非常有效的。

2.2 減小電網(wǎng)峰值電流中的超級電容節(jié)能控制

由于超級車載電容對于啟動條件要求比較苛刻，而完全吸收制動能量的車載超級電容節(jié)能控制雖然能夠回收并且二次利用列車的制動能量。但是當(dāng)?shù)罔F列車所需功率逐漸增大時，車載超級電容會因為達(dá)到極限放電深度而慢慢使電流減小，所以對減小電網(wǎng)峰值電流起的作用不大。例如：將啟動超級電容的條件設(shè)定為1.5MW，列車的最大速度為80km/h。為了使電網(wǎng)峰值電流降低，從而達(dá)到地鐵列車節(jié)能的目的，將啟動超級電容的時間延遲，以此來確保當(dāng)列車功率達(dá)到最大時，超級電容有足夠大的電流。考慮到超級電容在容量百分比為0.25時就會提前將放電電流降低，因此，此時將超級電容儲能裝置中的電能充分利用，對地鐵列車的輔助系統(tǒng)進(jìn)行供電，然后對車載超級電容中剩余能量進(jìn)行二次利用，使騰出來的容量能夠?qū)⒘熊囅麓沃苿訒r回饋的電能儲存起來。在進(jìn)行能量利用過程中，隨著啟動車載超級電容時間的不同，接觸網(wǎng)牽引的峰值電流減小的程度也是不同的。但是不論什么時間啟動車載超級電容，電網(wǎng)峰值電流下降的都是非常明顯的。因此地鐵列車安裝車載超級電容能夠最大限度的降低電網(wǎng)峰值電流，從而提高地鐵列車的節(jié)能效率。

3 結(jié)論

綜上所述，車載超級電容在地鐵列車中的應(yīng)用，能夠提高其節(jié)能能力。經(jīng)過上文分析可得，在仿真過程中，完全吸收制動能量的車載超級電容節(jié)能策略，其能耗至少降低了10%，提高了地鐵列車的節(jié)能效率;減小電網(wǎng)峰值電流中的超級電容節(jié)能策略，主要是以降低電網(wǎng)峰值電流，控制其功率輸出為主，以此來提高節(jié)能能力。因此，將車載超級電容應(yīng)用在地鐵列車中非常重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳軍，鄧木生.車載超級電容在地鐵制動回收能量中的應(yīng)用[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，32（04）：28-32.

[2]張明銳，張海龍，唐賈言，鐘建輝.超級電容有軌電車的牽引供電系統(tǒng)仿真計算軟件開發(fā)與應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2017，20（11）：64-68.