曾先光 徐志榮 奚華峰

(南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師)

目前，用于城市軌道交通領(lǐng)域的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置主要有西門子公司的SITRAS SES和龐巴迪公司的Mitrac En.Saver。這些裝置大都針對(duì)600V和750V的直流供電系統(tǒng)，其構(gòu)成主要為雙向DC/DC變換器和超級(jí)電容儲(chǔ)能單元等。對(duì)于1 500 V的直流供電系統(tǒng)還沒有非常成功的使用案例。這是因?yàn)槌跏贾苿?dòng)時(shí)，反饋的功率和電流非常大，且超級(jí)電容組電壓不工作在恒定電壓，而是在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變化。因此，對(duì)于DC 1 500 V供電系統(tǒng)，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置不僅設(shè)計(jì)難度大，成本也非常高。

1 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置主要參數(shù)

1.1 列車再生制動(dòng)分析

1 500 V直流供電系統(tǒng)的車輛再生制動(dòng)功率峰值非常大，并且持續(xù)時(shí)間短。例如，某城市地鐵為2動(dòng)1拖、6輛編組，AW2(滿載)載荷下，電制動(dòng)完全能滿足制動(dòng)要求，其制動(dòng)力曲線如圖1，列車再生制動(dòng)的最大輪軸電功率為6 800 kW。

圖1 AW2載荷下制動(dòng)力曲線

考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，齒輪箱為97%，電機(jī)為94%，牽引逆變器為97%(電機(jī)和逆變器效率為非恒定值，本文按此值進(jìn)行分析)，則列車反饋輸出的最大電制動(dòng)功率Pback=6 800 kW×η=6 014 kW，其中η=97%×94% ×97%。由峰值功率和公式Iback=Pback/U(U為接觸網(wǎng)電壓)可以確定峰值電流也非常大。

此例中，列車在AW2(338 t)狀態(tài)下，電制動(dòng)完全可以滿足80～6 km/h時(shí)的制動(dòng)(列車速度小于8 km/h時(shí)，電制動(dòng)開始淡出)。計(jì)算忽略轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、列車阻力，考慮傳動(dòng)效率，則列車反饋輸出的再生制動(dòng)總能量為:

1.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置主要參數(shù)分析

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置主要使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。超級(jí)電容與供電網(wǎng)進(jìn)行的能量交換是通過(guò)控制雙向DC/DC變換器對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖2 儲(chǔ)能裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

若按照列車反饋到接觸網(wǎng)的功率和能量設(shè)計(jì)儲(chǔ)能裝置，無(wú)疑增加了設(shè)計(jì)難度。因此，可考慮按1輛動(dòng)車進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再配置相同動(dòng)車數(shù)量的儲(chǔ)能裝置，一樣可以滿足列車的電制動(dòng)要求。

將Pback和Eback擬合到每輛動(dòng)車進(jìn)行均分，則每輛動(dòng)車反饋到接觸網(wǎng)的最大功率為:

每輛動(dòng)車反饋到接觸網(wǎng)的能量為:

假設(shè)反饋到接觸網(wǎng)功率最大、網(wǎng)壓也剛達(dá)到1 700 V時(shí)，儲(chǔ)能裝置開始工作，若超級(jí)電容組的電壓為初始電壓600 V，此時(shí)DC/DC變換器需要承受的最大電流約為:

選擇如此大電流的開關(guān)管比較困難，因此可以選擇2個(gè)1 500 A/3 300 V的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)并聯(lián)。

擬選擇額定工作電壓為2.7 V、絕緣電壓為2.85 V、容量為3 000 F、最大持續(xù)工作電流為150 A的超級(jí)電容。若放電深度?=0.5，則超級(jí)電容單體儲(chǔ)存的能量為:

若考慮吸收每輛動(dòng)車的全部電制動(dòng)能量(實(shí)際中可以考慮一個(gè)百分比)，則至少需要的超級(jí)電容個(gè)數(shù)為:

確定了超級(jí)電容的個(gè)數(shù)后，根據(jù)雙向DC/DC變換器的參數(shù)和模組工作電壓范圍，并考慮工作電流等因素，對(duì)超級(jí)電容的串并聯(lián)配置進(jìn)行優(yōu)化組合，以達(dá)到最佳的儲(chǔ)能狀態(tài)。例如375×6(共2 250個(gè)超級(jí)電容)的組合，其超級(jí)電容模組的最高工作電壓為1 012.5 V(放電深度為0.5時(shí)，最小工作電壓約為506.25 V，滿足變換器的升壓比)，絕緣電壓為1 068.75 V，最大持續(xù)電流為900 A。儲(chǔ)能裝置不是工作在持續(xù)的工作狀態(tài)，其最大電流為最大持續(xù)電流的3～4倍均可。

2 儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化

實(shí)際上，城市軌道交通車輛電制動(dòng)能量的利用與行車密度有很大關(guān)系，如果行車密度大，則列車制動(dòng)時(shí)反饋的電能就可提供給其他正在加速的列車使用。因此，沒必要按照最大電制動(dòng)功率(或最大電流)設(shè)計(jì)DC/DC變換器的功率。

從圖1可知，在電制動(dòng)過(guò)程中，再生制動(dòng)的輪軸峰值功率6 800 kW只短時(shí)間出現(xiàn)在65 km/h附近。若允許列車在制動(dòng)過(guò)程中網(wǎng)壓抬升，只要不超過(guò)1 800 V(制動(dòng)電阻開啟電壓)，儲(chǔ)能裝置依然能夠起到很好的節(jié)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用。

不妨考慮限制儲(chǔ)能裝置的最大工作電流，如最大工作電流為1 000 A，紋波電流為20%，則峰值電流為1 200 A。這樣，便可以選擇一個(gè)1 500 A/3 300 V的IGBT。

假設(shè)儲(chǔ)能裝置在初始工作時(shí)，以1 000 A的恒定電流將超級(jí)電容由500 V充電至850 V，然后不論列車反饋到接觸網(wǎng)的功率如何變化，以恒功率或限壓充電至1 000 V，充電電流減小。則給超級(jí)電容的初始充電功率為500 kW，最大充電功率為850 kW。

儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能和抑制網(wǎng)壓的效果與其充電時(shí)間關(guān)系密切。375×6的超級(jí)電容組合的總?cè)萘緾==48F，則以1 000 A電流將超級(jí)電容由500 V充電至850 V所需的時(shí)間t=ΔU·C/I=16.8 s。列車制動(dòng)性能與時(shí)間的關(guān)系如圖3。

根據(jù)圖2和圖3擬合出圖4。即對(duì)每輛動(dòng)車反饋的電制動(dòng)功率(考慮了輔助逆變器消耗的功率)和儲(chǔ)能裝置吸收的功率。根據(jù)速度和制動(dòng)時(shí)間繪制曲線(速度和時(shí)間變化一致)。

圖3 列車制動(dòng)性能與時(shí)間的關(guān)系

圖4 儲(chǔ)能裝置功率與電制動(dòng)反饋功率關(guān)系

圖4中，A1為左邊兩功率曲線間的面積，A2為右邊兩功率曲線間的面積，單位為kW，對(duì)時(shí)間積分即為能量。A2可通過(guò)調(diào)整充電時(shí)間(曲線斜率)來(lái)改變。這樣，儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)為:① A2表示的能量不會(huì)抬升網(wǎng)壓至(或超過(guò))1 800 V;②A1不為負(fù)數(shù)，即儲(chǔ)能裝置吸收功率不小于電制動(dòng)反饋功率。

因此，可通過(guò)調(diào)整儲(chǔ)能裝置的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，將圖4優(yōu)化為圖5的形式。即儲(chǔ)能裝置吸收的功率上升到與電制動(dòng)反饋功率相等時(shí)，便與電制動(dòng)反饋功率同步下降至零為止。這樣依然可滿足儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)。

另外，可以對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，如DC/DC雙向變換器并聯(lián)或串聯(lián)以達(dá)到大功率的目的;超級(jí)電容模塊根據(jù)變換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，滿足能量?jī)?chǔ)存容量的需求;可通過(guò)不同的配置滿足不同的需求。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)可以概況為以下幾個(gè)方面:

圖5 優(yōu)化后的曲線

(1)可以減小每臺(tái)變換器的設(shè)計(jì)容量。儲(chǔ)能裝置由多個(gè)等單元組成，要達(dá)到一定容量的儲(chǔ)能裝置，只需優(yōu)化配置等單元數(shù)量。

(2)超級(jí)電容模塊可以直接從供應(yīng)商獲得?？蛇x擇不同額定電壓、工作電流和容量的模塊;且模組內(nèi)已做好了均壓等保護(hù)電路，設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮模組之間的均壓等，降低了設(shè)計(jì)難度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)DC 1 500 V供電的軌道交通車輛的再生制動(dòng)特點(diǎn)，總結(jié)了超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過(guò)優(yōu)化降低了設(shè)計(jì)難度。在滿足不同容量需求的應(yīng)用時(shí)，使用模塊化設(shè)計(jì)減少了設(shè)計(jì)的周期和重復(fù)性，提高了大容量?jī)?chǔ)能裝置設(shè)計(jì)的可行性。

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