車載超級電容地鐵列車的節(jié)能策略研究

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130000）

地鐵列車的頻繁制動和啟動，往往伴隨著電壓幅值的變化，既容易影響供電質(zhì)量也會產(chǎn)生的一定的環(huán)境污染，因此開展節(jié)能設(shè)計十分必要。而車載超級電容中的儲能裝置可在列車減速與加速時分別吸收和釋放能量，故可從車載超級電容著手探討地鐵列車的節(jié)能策略。

一、車載超級電容地鐵列車模型的構(gòu)建

首先是建立列車路線模型。由于牽引模式下的地鐵列車，其牽引逆變器的開關(guān)工作頻率高，若簡單的分析該因素則難以提高列車速度。所以在地鐵列車能耗分析過程中無需考慮開關(guān)狀態(tài)，而是基于功率流進(jìn)行建模，為模擬列車行駛期間牽引網(wǎng)壓與距離變化的關(guān)系，可將可變電阻用于牽引線路，同時基于受控電流源模擬列車牽引和制動電流，設(shè)定制動電阻啟動時為1800V的電網(wǎng)電壓[1]。

然后是設(shè)計超級電容儲能系統(tǒng)。為盡可能的減少電網(wǎng)電壓波動對供電質(zhì)量的影響，可基于儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點（見圖1），利用雙向DC/DC 變換器對牽引電網(wǎng)與超級電容之間流動的能量進(jìn)行控制，具體可采用電流與電壓的雙環(huán)回饋控制策略，分別以電壓環(huán)和電流環(huán)作為外環(huán)和內(nèi)環(huán)，經(jīng)PI 控制器輸出電壓誤差為電流環(huán)的參考值，后與其反饋值比較生成誤差，經(jīng)PI 和PWM 調(diào)制輸出PWM 博，用于控制IGBT 占空比（控制模式見圖2）。

最后是構(gòu)建車載超級電容模型。因車載超級電容儲能裝置分為能量變換裝置（雙向DC/DC 變換器）和超級電容組，且兩者的控制完全獨立，故在地鐵列車既有既能控制策略的基礎(chǔ)上安裝使用儲能系統(tǒng)，并在建模環(huán)節(jié)合理設(shè)定額定電壓、功率密度、電流峰值、電容值、質(zhì)量、等效串聯(lián)電阻等重要參數(shù)[2]。該模型設(shè)定1500V 為牽引網(wǎng)空載電壓，能量變換裝置的升壓比和放電最大深度分別為3 和50%，工作區(qū)間為500V-1000V，經(jīng)串聯(lián)8 個超級電容模塊形成回路達(dá)到構(gòu)建車載超級電容模型的目的。

二、車載超級電容地鐵列車的節(jié)能策略

（一）制動能量的完全吸收

由于地鐵列車的制動伴隨著大部分電能的回饋并由儲能裝置吸收，若將其充分用于列車加速環(huán)節(jié)為列車牽引提供能量則可實現(xiàn)節(jié)能。以某地鐵列車節(jié)能控制為例，在其模擬仿真時將1.5MW 輸送功率設(shè)為車載超級電容的啟動要求，并設(shè)定列車途經(jīng)兩站距離與最大速度分別為1500m 和80km/h，然后仿真空載、額載、超載場景下列車的運行情況，結(jié)果顯示：①無超級電容模式下，空載、額載、超載情況下的電網(wǎng)峰值電流分別為2300A、3521A、4000A，電網(wǎng)總能耗分別為24.51kWh、35.94kWh、40.39kWh，電網(wǎng)吸收電能分別為24.16kWh、35.17kWh、39.31kWh，回饋電能分別為11.18kWh、15.98kWh、17.66kWh。②車載超級電容模式下，空載、額載、超載情況下的電網(wǎng)峰值電流分別為2238.3A、3521A、4000A，電網(wǎng)總能耗分別為23.07kWh、34.55kWh、38.94kWh，電網(wǎng)吸收電能分別為22.78kWh、33.81kWh、37.89kWh，回饋電能分別為11.23kWh、16.05kWh、17.72kWh。

由此可知，無超級電容的情況下電網(wǎng)總能耗與列車牽引能耗分別為40.39kWh 和39.31kWh，而應(yīng)用車載超級電容后兩者分別變?yōu)?8.94kWh 和37.89kWh，經(jīng)計算能耗大約降低10%，且這只是一輛列車的節(jié)能仿真，故通過車載超級電容完全吸收制動能量具有顯著的節(jié)能效果。

（二）電網(wǎng)峰值電流的降低

盡管車載超級電容節(jié)能控制模式可以回收利用制動能量，但其需要嚴(yán)格的啟動條件，且隨著列車功率需求的增大促使超級電容放電深度達(dá)到最大進(jìn)而逐漸減小電流，顯然不利于電網(wǎng)峰值電流的減小[3]。假設(shè)車載超級電容啟動需要1.5MW 的功率，最大速度設(shè)定值為80km/h，為降低電網(wǎng)峰值電流實現(xiàn)節(jié)能就需要延遲電容的啟動時間，以此獲得最大的功率和足夠的電流，由于超級電容為0.25%容量時便會及早降低放電電流，所以充分利用儲能系統(tǒng)電能用于列車輔助系統(tǒng)供電，隨后二次利用剩余能量，并將節(jié)省的容量存儲下次列車制動的電能。雖然車載超級電容啟動時間的長短會影響峰值電流的減小程度，但不管其何時啟動峰值電流均會明顯下降，進(jìn)而改善列車的節(jié)能效益。

結(jié)束語：

總之，在地鐵列車中安裝車載超級電容具有良好的節(jié)能意義，結(jié)合模型仿真可知，制動能量的完全吸收至少節(jié)能10%，電網(wǎng)峰值電流的減小則是通過對輸出功率的控制實現(xiàn)節(jié)能，故該節(jié)能策略值得借鑒。