車載儲(chǔ)能低地板有軌電車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

夏 猛 董先鵬 馬法運(yùn) 畢京斌 田以濤 李驕松

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，266111，青島;2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，250101，濟(jì)南∥第一作者，工程師)

低地板有軌電車具有節(jié)能環(huán)保、乘車方便、舒適美觀和造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，屬于中低運(yùn)量的城市軌道交通系統(tǒng)［1-2］。為了降低架空供電線路對(duì)城市景觀帶來(lái)的影響，目前的解決方案是在主干路采用接觸網(wǎng)供電，在路口取消接觸網(wǎng)，采用車載儲(chǔ)能裝置供電，為車輛提供動(dòng)力［3］。

基于接觸網(wǎng)+車載儲(chǔ)能裝置的供電方式中，目前車輛牽引傳動(dòng)系統(tǒng)所用儲(chǔ)能裝置的關(guān)鍵設(shè)備為充放電控制器，一般設(shè)置1臺(tái)。該裝置可為2臺(tái)逆變單元提供能量。單臺(tái)儲(chǔ)能裝置故障將使得2臺(tái)牽引逆變單元無(wú)法通過(guò)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量的釋放和吸收，導(dǎo)致牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的冗余性較差。且車載儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充放電的DC(直流電)/DC控制器與牽引逆變器是2個(gè)獨(dú)立且不同的設(shè)備，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，綜合成本較高。此外，車載儲(chǔ)能裝置DC/DC控制器需要單獨(dú)的控制器進(jìn)行充放電控制，牽引和制動(dòng)工況下與牽引逆變器能量管理控制的實(shí)時(shí)性和可靠性相對(duì)較低。

為解決上述問題，本文提出一種車載儲(chǔ)能低地板有軌電車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻和儲(chǔ)能裝置的集中控制，亦可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能裝置的安全放電，確保檢修安全。

1 低地板有軌電車車輛技術(shù)要求

低地板有軌電車車輛的基本配置為5輛編組。整列列車采用“2動(dòng)+1拖+2懸浮”的動(dòng)力編組型式:Mc1-F1-T-F2-Mc2(其中，Mc為帶司機(jī)室的動(dòng)車，T為拖車，F(xiàn)為懸浮車)。車輛總體技術(shù)要求如表1所示。

表1 低地板有軌電車車輛總體技術(shù)要求［4］Tab.1 General technical requirements for lowfloor tram［4］

2 低地板有軌電車牽引特性計(jì)算和設(shè)計(jì)

結(jié)合低地板有軌電車車輛的總體技術(shù)要求，進(jìn)行牽引特性計(jì)算和設(shè)計(jì)。不同載荷工況下列車的牽引、制動(dòng)特性曲線如圖1～2所示。

圖1～2中，在牽引工況下，AW3時(shí)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)每臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)的牽引轉(zhuǎn)矩約為957 Nm，恒功率區(qū)電機(jī)牽引功率為178 kW;在制動(dòng)工況下，AW3時(shí)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)每臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)的牽引轉(zhuǎn)矩約為944 Nm，恒功率區(qū)電機(jī)牽引功率為289 kW。

圖1 低地板有軌電車牽引特性曲線Fig.1 Traction characteristic curve of low-floor tram

圖2 低地板有軌電車制動(dòng)特性曲線Fig.2 Brake characteristic curve of low-floor tram

3 低地板有軌電車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

車載儲(chǔ)能低地板有軌電車中的2輛動(dòng)車設(shè)置2個(gè)動(dòng)力單元。每個(gè)動(dòng)力單元包括1臺(tái)牽引變流器、2臺(tái)牽引電機(jī)、8套超級(jí)電容、2臺(tái)制動(dòng)電阻和超級(jí)電容充放電控制裝置。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主回路原理如圖3所示。

圖3 低地板有軌電車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主回路原理Fig.3 Main circuit schematic diagram of low-floor tram traction system

牽引變流系統(tǒng)包括預(yù)充電單元、線路濾波單元、電流電壓檢測(cè)單元、2組牽引逆變單元及牽引控制單元。每組牽引逆變單元均包括集成為一體的斬波模塊和逆變模塊，斬波模塊包括制動(dòng)斬波單元和DC/DC斬波單元。牽引變流單元為集成一體化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了DC/DC斬波單元的集成，簡(jiǎn)化了硬件電路并降低了成本。

DC/DC斬波單元為雙向Buck-Boost結(jié)構(gòu)拓?fù)洌蓪?shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。當(dāng)處于Buck工作狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容吸收外部能量;當(dāng)處于Boost工作狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容對(duì)外輸出能量。

為了降低超級(jí)電容模組和車頂其他設(shè)備的檢修風(fēng)險(xiǎn)，本系統(tǒng)在超級(jí)電容充放電控制裝置內(nèi)設(shè)置放電接觸器。當(dāng)車輛斷電后，放電接觸器閉合，自動(dòng)將超級(jí)電容的能量通過(guò)制動(dòng)電阻進(jìn)行釋放。

4 低地板有軌電車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 牽引變流器設(shè)計(jì)

每輛動(dòng)車裝有1臺(tái)牽引變流器箱，變流器箱體內(nèi)裝有2個(gè)模塊，每個(gè)模塊分別驅(qū)動(dòng)1個(gè)轉(zhuǎn)向架上的1臺(tái)電機(jī)。變流器模塊采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。牽引變流器箱體內(nèi)包含牽引控制單元(TCU)、控制變流器，并與列車進(jìn)行通信。

變流模塊集成了5個(gè)IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)元件，其可作為三相逆變器的三相橋臂、制動(dòng)斬波相橋臂和DC/DC橋臂。變流模塊還包括散熱器、溫度傳感器、IGBT驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)電源、電壓傳感器、支撐電容和低感母排等部件。變流模塊具有強(qiáng)迫風(fēng)冷、無(wú)吸收電路、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。

變流器設(shè)置有LC(電感電容)濾波電路。濾波電路可抑制或?yàn)V除電網(wǎng)電壓、電流尖峰，并使電壓保持穩(wěn)定，將電壓波動(dòng)限制在允許范圍內(nèi)。牽引變流器主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 牽引變流器的主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of traction inverter

4.2 車載儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)

車輛通過(guò)無(wú)網(wǎng)區(qū)時(shí)限速運(yùn)行。考慮3次起停工況，經(jīng)計(jì)算，車輛通過(guò)650 m無(wú)電區(qū)的能耗為0.95 kWh。考慮到電網(wǎng)電壓為DC 750 V，最低工作電壓為DC 500 V，且有停車后需要將儲(chǔ)能裝置的電能全部釋放的需求。因此，選擇最高工作電壓為DC 500 V、有效儲(chǔ)能為1.6 kWh的超級(jí)電容組(4組4串)作為車載儲(chǔ)能裝置。所選超級(jí)電容的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 超級(jí)電容的主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of super capacitor

4.3 雙向DC/DC電抗器設(shè)計(jì)

Buck模式下1個(gè)開關(guān)周期電流脈動(dòng)(峰峰值)計(jì)算如下:

由式(1)—式(3)可得Buck模式下電感最小取值為:

Boost模式下1個(gè)開關(guān)周期電流脈動(dòng)(峰峰值)計(jì)算如下:

由式(5)—式(7)，得到Boost模式下的電感最小取值為:

式中:

ΔIp，Buck、ΔIn，Buck、ΔIBuck——分別為Buck模式下的充電電感電流增量、放電電感電流減量、電流脈動(dòng)峰峰值;

ΔIp，Boost、ΔIn，Boost、ΔIBoost——分別為Boost模式下的充電電感電流增量、放電電感電流減量、電流脈動(dòng)峰峰值;

Us、U——分別為電網(wǎng)電壓和輸出電壓;

LBuck、LBoost——分別為Buck、Boost模式下電感電流計(jì)算值;

fs——開關(guān)頻率;

D——占空比;

t1、t——分別為器件開通時(shí)間和開關(guān)周期。

穩(wěn)態(tài)電流取200 A，電流紋波率取0.2，D取0.5。根據(jù)式(4)和式(8)計(jì)算可得，Lbuck最小值為1.875 mH，Lboost最小值為2 mH。綜合考慮牽引傳動(dòng)系統(tǒng)電抗器設(shè)計(jì)取值為2 mH。

5 列車車載儲(chǔ)能裝置能量管理

對(duì)列車車載儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量管理時(shí)，首先為儲(chǔ)能裝置設(shè)定充電極限和放電極限。充電極限分為主動(dòng)充電極限Ucmax，act和被動(dòng)充電極限Ucmax，pass，分別對(duì)應(yīng)主動(dòng)充電速度極限Vmax，act和被動(dòng)充電速度極 限 Vmax，pass，且 Ucmax，act＞ Ucmax，pass，Vmax，act＞Vmax，pass。放電極限分為主動(dòng)放電極限Ucmin，act和被動(dòng)放電極限Ucmin，pass，分別對(duì)應(yīng)主動(dòng)放電速度極限Vmin，act和被動(dòng)放電速度極限Vmax，act，且Ucmin，act＞Ucmin，pass，Vmin，act＞Vmin，pass。

當(dāng)列車車載儲(chǔ)能裝置的電壓U≥Ucmax，act時(shí)，則強(qiáng)制對(duì)儲(chǔ)能裝置放電;當(dāng)U≥Ucmax，pass，則停止對(duì)儲(chǔ)能裝置充電;當(dāng)U≤Ucmin，pass，則禁止儲(chǔ)能裝置放電;當(dāng)U≤Ucmin，act，則強(qiáng)制對(duì)儲(chǔ)能裝置充電。

列車車載儲(chǔ)能裝置主動(dòng)充電和被動(dòng)充電曲線見圖4，主動(dòng)放電和被動(dòng)放電曲線見圖5。

圖4 列車車載儲(chǔ)能裝置主動(dòng)充電和被動(dòng)充電曲線Fig.4 Active and passive charging curves of train onboard energy storage device

圖5 列車車載儲(chǔ)能裝置主動(dòng)放電和被動(dòng)放電曲線Fig.5 Active and passive discharge curves of train on-board energy storage device

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證車載儲(chǔ)能低地板有軌電車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能正常發(fā)揮牽引力和制動(dòng)力，應(yīng)控制超級(jí)電容和制動(dòng)電阻工作，以滿足車輛的技術(shù)要求。因此，對(duì)低地板有軌電車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了裝車試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6～7所示。其中，圖6為有網(wǎng)區(qū)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行波形，圖7為無(wú)網(wǎng)區(qū)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行波形。由圖6～7可知，在有網(wǎng)區(qū)和無(wú)網(wǎng)區(qū)，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行良好，超級(jí)電容兩端電壓和充放電電流應(yīng)按照能量管理策略作適時(shí)調(diào)整。同時(shí)，經(jīng)超過(guò)10萬(wàn)km的載客運(yùn)行考核，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。

圖6 有網(wǎng)區(qū)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行波形Fig.6 Operation waveform of traction system in power supply area

圖7 無(wú)網(wǎng)區(qū)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行波形Fig.7 Operation waveform of traction system in area without power

7 結(jié)語(yǔ)

低地板有軌電車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的牽引逆變單元為集成一體化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了DC/DC斬波單元的集成，簡(jiǎn)化了硬件電路并降低了成本。且其控制單元可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)逆變器的集中控制，不需為每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)單獨(dú)的控制器，以實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻和儲(chǔ)能裝置的集中控制，提高了控制的實(shí)時(shí)性和可靠性。對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行安全放電，確保了檢修安全。本文按照有軌電車技術(shù)要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種車載儲(chǔ)能牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量高效、安全的管理，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的合理性。