天水市100%低地板有軌電車儲能系統研究

劉助威 張世友 謝耀征

【摘 要】文章簡述了現代有軌電車的供電方式，介紹了天水市有軌電車示范線（一期）項目有軌電車整車的基本技術參數。通過對項目整個線路的電量消耗仿真確定儲能系統的初步電量及配置，依據線路網側電流仿真校核車載儲能系統的容量，并與目前幾種常用車載儲能系統進行簡要對比;確保所述儲能系統滿足項目要求。

【關鍵詞】儲能;超級電容;100%低地板有軌電車

【中圖分類號】U482.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）09-0048-03

0 前言

目前，我國新型有軌電車發展迅速，現有100%低地板有軌電車供電方案主要包括接觸網供電和無接觸網兩種供電方式;無接觸網供電又主要分為地面供電方式和采用車載儲能裝置供電方式[1-4]（如圖1、圖2所示）。

國內車載儲能介質主要有鋰電池、超級電容等，各介質主要特性對比分析見表1。

1 車輛總體技術參數

天水市有軌電車示范線（一期）項目采用的車型為5個模塊編組，2個動力轉向架，1個拖動轉向架，雙向行駛，正線采用儲能式無架空接觸網供電方式運行，具有模塊化、標準化的100%低地板現代有軌電車。主要技術參數見表2。

2 儲能系統配置

天水市有軌電車示范線工程（一期）線路平均站間距大于1 km，目前國內采用超級電容（EDLC）儲能介質的項目基本平均站間距都小于1 km，因為EDLC能量密度比較低，所以如果要實現大站間距的運行，必然需要配置更多的超級電容，而現代有軌電車車頂設備安裝空間有限。

為了滿足天水市有軌電車縮短發車間隔的需求，需要有軌電車所載儲能介質具有較高的功率密度滿足快速充電的需求，并且需要該存儲介質具有一定的能量密度，以滿足有軌電車在站間的續航。超級電容是目前常見的功率密度較大的儲能介質，但是通過表1可知，一般的雙電層超級電容能量密度太低，為滿足能量密度的需求，在此選取由美國MAXWELL公司和中車青島四方車輛研究所共同開發的鋰離子超級電容（LCAP），這種超級電容兼具了功率密度大和能量密度高的優點，并且具有高達100萬次的循環使用壽命及-30 ℃正常運行的特性，比較適合在有軌電車車載儲能中應用。

依據線路仿真結果，全線路站間能耗如圖3所示。

由圖3可見，整車對超容電量需求最大站間耗電量為12 kW·h（不考慮再生制動），考慮系統壽命后期容值衰減至80%，則要求儲能系統初始可用電量：

W初≥Wmax/μ=12/0.8=15 kW·h（Wmax表示區間最大耗電量，μ表示衰減系統）。

依據電量計算，初步配置的整個超級電容供電系統包括100個超級電容模組，采用10串10并，分為3個箱子，其中2個箱子中含40個模組（I型箱），采用10串4并;另一個箱子中含有20個模組（II型箱），采用10串2并。

每個箱體配置一臺接觸器，在其中某一組發生故障時可以單獨切除。3個超容箱體并聯在一起，總共可以提供最大為1 222 kW、最少為765 kW的輸出功率（考慮內阻影響），并且可以提供16.8 kW·h的初值電能，系統整個供電系統的基本配置見表3。

3 儲能系統詳細說明

3.1 儲能系統容量校核

列車儲能供電系統由3個超級電容箱體組成，安裝于有軌電車的頂部，列車運行期間，牽引系統及輔助供電系統直接從超級電容取電，電車進站期間，由充電機對超級電容儲能系統進行充電保證列車在站間的能量消耗。超級電容儲能系統會將系統停止放電和停止充電信號反饋到整車控制器，保護超級電容系統。

制動時優先使用再生制動，即牽引系統將制動能量饋入超級電容箱體內。超級電容的工作范圍為510～815 V，制動反饋能導致超級電容電壓不應超過815 V時（緊急制動），制動反饋電流不應超過每個箱子額定充放電電流。

儲能系統性能參數見表4。儲能系統充放電電流校核。依據牽引仿真計算，全線路網側電流如圖4所示。

根據牽引計算結果，車輛行車過程中：最大牽引電流≤1 200 A;最大再生制動電流≤1 300 A。

（1）整車超容儲能系統采用10S10P，每個I型超容箱采用10S4P，因此I型超容箱，在正常行車中，最大牽引電流≤480 A，最大再生制動電流≤520 A;II型超容箱最大牽引電流≤240 A，最大再生制動電流≤260 A。

（2）站內整車充電電流為1 500 A，I型箱充電電流為600 A;II型箱充電電流為300 A。

對比表4，可知所選車載儲能裝置能滿足項目設計需求。

3.2 車站充電控制

當充電樁檢測到車輛的電子標簽，表明車輛已經進站，同時充電樁檢測車輛母線電壓在范圍之內，上述兩個條件同時具備時，充電樁給車載儲能進行試充電;試充的目的是檢測車載儲能的狀態;理想充電曲線如圖5所示。

充電樁以恒定電流i對儲能系統進行試充;試充時間為t。

充電樁在試充時間段取兩個采樣點，Ta/Tb;采集相應的累計電荷量及電壓值，進行容值計算，根據容量計算公式：C=ΔQ/ΔU[其中：ΔQ=Qb-Qa=i×（Tb-Ta）]，ΔU=Ub-Ua。

可以計算整車儲能系統容值，從而判斷幾個儲能箱體在線，這樣在試充結束后可以依據實際在線儲能箱體的個數進行電流調整。當充電結束后，充電樁檢測到車輛離開充電柜時，斷開充電電路，車輛離站，整個充電過程結束。

4 結語

本文介紹的有軌電車儲能系統能夠很好地滿足天水項目的技術需求，提供了一個較大站間距的全程無架線的儲能系統解決方案。目前，車載儲能式有軌電車正處于發展階段，國內主要的車載儲能介質有鋰電池/超級電容，但上述兩種儲能方式都有一定的弊端，本文描述的儲能系統在一定程度上兼顧了電量和功率兩個因素，能在很好地滿足牽引加速性能的同時，盡可能地延長站間距。

參 考 文 獻

[1]李榮吉.現代有軌電車新型地面供電方式分析[J].中國設備工程，2019（1）：146-147.

[2]李志，王威.淺談有軌電車新型供電技術——Tramwave地面供電系統[J].科技風，2018（1）：152，5-9.

[3]王健全，袁富衛.城市有軌電車供電方式探討[J].電力機車與城軌車輛，2015（1）：47-51，58.

[4]吳泳江.現代有軌電車新型供電方式發展及運用現狀[J].中國設備工程，2014（5）：5-9.