全線無網有軌電車儲能系統設計方案

王莉 吳金賢

摘 要：現代有軌電車使用純電力驅動，其具有便捷、環保、舒適、高效的特征，是目前廣受歡迎的新型城市軌道交通產品。但由于供電的架空網在一些特定的環境或區段， 給景觀帶來不良影響，給線路規劃帶來一定的困難。隨著新型儲能技術的發展，研發全線無觸網低地板有軌電車，是適應目前市場迫切需求的技術研發方向。該文將介紹基于超級電容的全線無網有軌電車儲能系統設計方案，并通過牽引計算和實車安裝試驗，驗證了該方案的可行性及先進性。

關鍵詞：全線無網；儲能；低地板有軌電車；超級電容

中圖分類號：U23 文獻標志碼：A

0 前言

為了解決城鐵車輛無觸網運行應用的技術問題，該文將介紹采用超級電容供電方式的100 %低地板鋼輪鋼軌現代有軌電車的儲能系統設計方案，實現了全線無網、由高能效超級電容供電的跨站充電模式，最終通過實際裝車驗證，成功實現了以超級電容為儲能系統的全線無網有軌電車應用。

1 車輛主要技術參數

100 %低地板有軌電車車輛的基本配置為5輛車編組，整列車采用2動1拖2懸浮的動力編組型式。

1.1 線路條件

車輛將滿足以下各條的規定：

最小平面曲線半徑

正線（區間） 20 m

車場線20 m

最小豎曲線半徑350 m

最大坡度60 ‰

1.2 供電條件

正線和車輛段均采用車載超級電容方式供電，在車站和車輛基地內設置充電裝置為超級電容充電。

1.3 列車動力性能

1.3.1 列車基本動力性能要求

在AW2載荷和車輪半磨耗狀態及干燥、清潔、平直的軌道和額定電壓下，列車牽引性能由下列參數確定：

列車最高持續運行速度70 km/h

列車設計結構速度≥80 km/h

啟動加速度（0～40 km/h）≥1.0 m/s2

平均加速度（0～70 km/h）≥0.7 m/s2

1.3.2 列車電制動性能要求

在AW2載荷和車輪半磨耗狀態及干燥、清潔、平直的軌道和額定電壓下，列車制動性能由下列參數確定：

常用制動最大等效減速度（80 km/h～0）≥1.2 m/s2

常用制動平均沖動極限≤1.5 m/s3

2 牽引系統技術方案

列車牽引傳動系統采用VVVF逆變器-異步牽引電機構成的交流電傳動系統。

列車電制動采用再生制動，制動能量反饋回超級電容。制動時優先使用電制動（再生制動），電制動力不足部分由液壓制動補充。

列車牽引系統主電路采用電壓型直交逆變電路。超級電容提供的直流電由VVVF逆變器變換成頻率、電壓均可調的三相電源向異步牽引電動機供電。VVVF逆變器擁有2個逆變模塊單元，每個逆變器模塊驅動1臺牽引電動機工作。當超級電容電壓在616 V～820 V變化時，牽引系統能正常工作，并方便地實現牽引和制動的轉換。

3 儲能系統設計方案

3.1 超級電容器

根據該文第2章車輛參數要求，考慮采用能量型超級電容器。

超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件，具有很高的功率密度，適合用作短時間功率輸出源。具有比功率高、比能量大、一次儲能多等優點，亦可平滑動力電池充放電電流，延長動力電池的使用壽命。這種特性決定了其能吸收電制動反饋能量，達到節約能源的效果。

該項目超級電容器采用了特殊關鍵原材料，優異的電極制作工藝、先進的測試化成工藝，為能量型超級電容器。能量型超級電容器作為超級電容器領域中的一種新體系，以采用新型先進材料技術為基礎，通過電化學混合電極材料，在一個電解池中實現了鋰離子電池和超級電容器的原理和技術的結合，使其在保持超級電容器高比功率、長壽命和快速充電特性的同時，大幅度提高了比能量，而且線性的充放電特性不能變，即：E=1/2C×V2不變。

3.2 I型超級電容箱的性能參數

I型超級電容箱參數見表1。

3.3 II型超級電容箱的性能參數

II型超級電容箱參數見表2。

3.4 能量計算

3.4.1 總體計算

對于全線無觸網軌道交通超級電容儲能系統制動回收反饋能量方面，可以進行如下模擬計算。

該系統由I型超級電容箱和II型超級電容箱各2套組成。系統能夠接受持續20 s的最大回收電流為I=2×（560+840）=2800A。

系統總容量C總=2（C1+C2）=2（256+389）=1290F

以80 %SOC最大回收起始狀態計算，此時電壓為U1=783 V，此時可回收功率為Pmax=U1×I=783×2800=2192.4 kW，此時回收20 s能量為E=Pmax×20s/3600=12.18 kWh。

以0 %SOC計算，此時電壓為U2=616 V

此時可回收功率為Pmin=U2×I=616×2800=1724.8 kW，此時回收20 s能量為E=Pmin×20s/3600=9.58 kWh

根據上述計算結果，理論上該套系統可實現20 s制動回收9.58 kWh～12.18 kWh的能量。

3.4.2 儲能總能量和工作能量

整車超級電容儲能系統由2套I型超級電容箱和2套II型超級電容箱組成。整車超級電容儲能系統儲能總電量為47.6 kWh，實際可工作總電量為47.6 kWh。

3.4.3 可用電量計算

整車超級電容儲能系統可用電量：

E=2E1+2E2=52.7 kWh

以上計算為理論計算，實際輸出能量受內阻的影響，根據單體100 A充放電測試，每個單體實際放出22 Wh，整車儲能系統總成的電容數量為2 160個，共計實際儲能47.6 kWh。

4 牽引系統再生制動全功率吸收

100 %低地板儲能有軌電車進行制動時，優先使用牽引系統的電制動，牽引電機會產生再生制動能量，而這部分能量會通過IGBT續流二極管反饋到主電路上，供超級電容吸收。參照3.2和3.3所述，給一個牽引逆變器供電的I型和II型超級電容標準充電電流分別為280 A和420 A，總共700 A，最大充電電流分別為560 A（20 s）和840 A（20 s），全列4個箱體總計最大電流2 800 A（20 s）。根據牽引計算，制動狀態下最大制動電流不超過1 600 A，因此，超級電容完全能夠吸收牽引電機再生制動產生的能量。

制動系統的能量能夠全功率吸收，一方面為儲能系統增加了額外能量，另一方面也省去了制動電阻，減小閘瓦磨耗，真正實現了綠色節能環保。

5 牽引計算

在DC750V及AW2載荷情況下，每臺電機對應的最大牽引轉矩約為964.6 N·m，此時列車最大黏著系數為0.174，電機最大牽引功率179.5 kW，列車在最高時速80 km/h時，電機最大轉速為4 738.8 r/min，整車超級電容電流可達1 050.5 A（考慮變流器效率98 %）。

在DC825V及AW2載荷情況下，每臺電機對應的最大制動轉矩約為964.7 N·m，此時列車最大黏著系數為0.183，電機最大制動功率290.2 kW，列車在最高運行時速80 km/h時，電機最大轉速為4 738.8 r/min，整車超級電容電流可達1 282.6 A（考慮變流器效率98 %）。

由于整車超級電容箱額定電流為1 400 A，最大為2 800 A（20 s），大于車輛在牽引和制動工況下的最大電流值。因此目前超級電容配置能夠滿足牽引和電制動需求，且能夠實現100 %吸收電制動能量。

6 試驗驗證

上述牽引系統及超級電容技術方案已形成實際產品，目前車輛已完成了各項型式試驗，經驗證，牽引系統及儲能系統的設計方案能夠滿足車輛參數要求。

7 結語

通過對全線無網有軌電車儲能系統的研究，突破車輛儲能、大電流充電技術及容量管理系統開發，滿足國內外有軌電車全線無網運行的技術需求，提高國內有軌電車研制領域的技術水平，推動我國有軌電車行業的發展。

參考文獻

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