新型城市軌道交通車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制

成建國，文小龍

（1 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳518000；2 深圳市華力特電氣股份有限公司，廣東深圳518000）

新型城市軌道交通車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制

成建國1，文小龍2

（1 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳518000；2 深圳市華力特電氣股份有限公司，廣東深圳518000）

通過對列車電制動(dòng)的原理進(jìn)行分析，利用超級電容可以儲(chǔ)存大電量、快速充放電等特點(diǎn)，在比較傳統(tǒng)地面集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制替代列車制動(dòng)電阻的新型車載儲(chǔ)能裝置。該裝置包括一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。一次系統(tǒng)主要包括斷路器、IGBT以及電容器組組成。二次系統(tǒng)主要是控制器，對升降壓模塊的IGBT進(jìn)行控制以及算法計(jì)算等。該裝置能夠有效的減少軌道交通列車牽引能耗，減少地鐵制動(dòng)熱量散發(fā)，降低涵洞溫升，達(dá)到節(jié)能減排的效果，從而節(jié)約列車實(shí)際運(yùn)營成本，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

列車制動(dòng)電阻；新型；車載儲(chǔ)能系統(tǒng)；研制

在城市軌道交通中，城市軌道列車一般采用兩種制動(dòng)方式：電制動(dòng)和空氣制動(dòng)（部分列車采用液壓制動(dòng)或磁軌制動(dòng)替代空氣制動(dòng)）。其中電制動(dòng)又分為再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)。地鐵列車制動(dòng)過程中，優(yōu)先采用再生制動(dòng)［1］，當(dāng)再生制動(dòng)能量不能被接觸網(wǎng)或地面儲(chǔ)能裝置吸收時(shí)，啟動(dòng)電阻制動(dòng)。

電阻制動(dòng)主要是將電能轉(zhuǎn)換成熱能，通過強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式消耗掉。由于城市軌道交通列車在正常運(yùn)營時(shí)，其電制動(dòng)相當(dāng)頻繁，電阻制動(dòng)消耗的能量日積月累，是一個(gè)非?？捎^的數(shù)字。根據(jù)測算，上海地鐵2號線，北新涇站至咸寧路站，一般情況下，制動(dòng)電阻每天消耗的能量總和為10.8 k W·h［2］。上海地鐵2號線共30個(gè)站，初步估算，制動(dòng)電阻一年消耗掉的能量大約為11.8 ×104k W·h，消耗電費(fèi)為10.6萬元（按工業(yè)用電0.9元/k W·h計(jì)算）。

本文闡述了一種新的能量儲(chǔ)存及利用裝置，能夠吸收列車電阻制動(dòng)中消耗的能量，可以用來替代列車制動(dòng)電阻，當(dāng)電阻制動(dòng)時(shí)，吸收能量；車輛牽引時(shí)，釋放能量。

1 電阻制動(dòng)能量吸收方案研究

傳統(tǒng)的制動(dòng)儲(chǔ)能裝置，即在牽引變電站上設(shè)置集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)，一般采用直接利用接觸網(wǎng)或接觸軌作為媒介，通過判斷接觸網(wǎng)或接觸軌直流電壓作為判斷依據(jù)，進(jìn)行充放電。原理框圖如圖1所示。

傳統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的優(yōu)點(diǎn)是判斷依據(jù)簡單，原理相對簡單；缺點(diǎn)是不能完全吸收電制動(dòng)過程的能量，同時(shí)需要制動(dòng)電阻配合，增加了車輛負(fù)擔(dān)。

基于以上原因，本文闡述了一種新的裝置，可以完全取代制動(dòng)電阻，完全吸收電制動(dòng)能量，該裝置原理框圖如圖2所示。

新型車載儲(chǔ)能裝置從牽引單元原連接制動(dòng)電阻處接入，通過直流降壓模塊，將電阻制動(dòng)的能量吸收，然后通過直流升壓模塊，將儲(chǔ)存的能量釋放給接觸網(wǎng)，提供本車輛或鄰近車輛牽引驅(qū)動(dòng)使用。

根據(jù)測算，上海地鐵2號線高峰時(shí)通過北新涇站至咸寧路站，制動(dòng)電阻消耗的能量為0.124 k W·h［2］。如果可以通過超級電容，在地鐵列車制動(dòng)時(shí)，將制動(dòng)電阻消耗的能量儲(chǔ)存。列車牽引時(shí)將能量釋放，日積月累，就會(huì)為列車節(jié)約大量的能量，降低列車運(yùn)營成本。

2 新型車載儲(chǔ)能裝置的原理實(shí)現(xiàn)

根據(jù)廣州地鐵一號線列車能耗分析［3］，單個(gè)制動(dòng)電阻在行車高峰與低峰期間，制動(dòng)電阻消耗能量絕大部分在0.1～1.0 k W·h之間。由于列車原有制動(dòng)電阻質(zhì)量約為380 kg。綜合超級電容質(zhì)量及容量考慮，本裝置選用了1.0 k W·h作為超級電容最大可循環(huán)使用容量，這樣，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置質(zhì)量約為400 kg，與原有列車制動(dòng)電阻相當(dāng)。不會(huì)給列車運(yùn)行增加額外質(zhì)量負(fù)擔(dān)。

該裝置包括一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。一次系統(tǒng)主要包括斷路器、IGBT以及電容器組組成。二次系統(tǒng)主要是控制器，對升降壓模塊的IGBT進(jìn)行控制以及算法計(jì)算等。

該裝置詳細(xì)原理圖，如圖3所示。

該裝置主要包括連接單元、轉(zhuǎn)換單元、電容器組以及控制器組成。

（1）連接單元

S1、F0正常充電連接回路；

K1、F1、R1預(yù)充電連接回路；

S2放電回路斷路器；

D0、D3二極管，防止反向輸入；

L2平波電抗器。

（2）轉(zhuǎn)換單元

V1、V2、L1直流升降壓回路。

（3）電容器組Cbank 超級電容器組；

V3、R2超級電容組完全放電回路。

連接單元與轉(zhuǎn)換單元組成一路buck/boost電路，制動(dòng)時(shí)，接觸網(wǎng)電壓升高到直流1 800 V時(shí)，DC 1 800 V通過直流降壓電路轉(zhuǎn)換成超級電容組電壓。列車牽引時(shí)，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓低于直流1 600 V時(shí)，電容組電壓通過直流升壓電路，升成DC 1 600 V，供給接觸網(wǎng)。

V1取值為1 152 V，這樣需要24個(gè)超級電容模塊，可循環(huán)充放電能量為1.05 k W·h。

參考列車制動(dòng)電阻電流，本裝置充放電額定電流為200 A。

（4）控制器

對一次系統(tǒng)的IGBT進(jìn)行控制，并監(jiān)測整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，提供溫度、充放電電流以及狀態(tài)指示等。

3 控制器的軟硬件實(shí)現(xiàn)

控制器CPU采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335［4］。TMS320F28335是一款高性能的數(shù)字信號控制器，最高頻率150 MHz，帶浮點(diǎn)運(yùn)算單元。完全能滿足車載式儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)算控制需要?？刂破鞯挠布驁D如圖4所示。

控制器包括充放電控制、電壓檢測、溫度檢測、風(fēng)冷控制、信號指示以及通訊等。

控制器軟件部分，采用TI DSP/BIOS5.X實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)［5］，DSP/BIOS5.X為TI官方提供的免費(fèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

軟件總體框架如圖5所示。

由于其他子任務(wù)為常規(guī)任務(wù)，因而本文只對充放電控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。充放電任務(wù)流程框圖如圖6所示。

4 裝置樣機(jī)

根據(jù)本文描述的軟硬件原理，我們研制出了控制器PCB板、直流升降壓系統(tǒng)等，經(jīng)市場調(diào)研，已采購超級電容組，并將組裝樣機(jī)。經(jīng)過各種測試及試驗(yàn)驗(yàn)證合格后，按計(jì)劃今年將安裝在地鐵列車進(jìn)行應(yīng)用考核。樣機(jī)部分裝置如圖7～圖8所示。

5 結(jié)束語

本文闡述了一種新型的城市軌道交通列車制動(dòng)能量儲(chǔ)存裝置，該裝置可以有效地利用目前列車電阻制動(dòng)消耗掉的能量，可以完全替代列車制動(dòng)電阻。使用該裝置后，城市軌道交通列車可以取消（替代）制動(dòng)電阻（如在既有列車上進(jìn)行改造，則無需改變既有列車的安裝結(jié)構(gòu)），能夠有效的減少軌道交通列車牽引能耗，減少地鐵制動(dòng)熱量散發(fā)，降低涵洞溫升，達(dá)到節(jié)能減排的效果，從而節(jié)約列車實(shí)際運(yùn)營成本，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 楊 峰.地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)淺析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2009，（4）：29-31.

［2］ 方 宇，堯輝明，楊 儉，等.上海城市軌道交通2號線車輛電阻制動(dòng)能耗計(jì)算［J］.城市軌道交通研究，2010，（8）：25-27，31.

［3］ 劉寶林.地鐵列車能耗分析［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2007，30（4）：65-68，70.

［4］ 德州儀器公司.芯片數(shù)據(jù)手冊.TMS320F28335數(shù)字信號控制器（DSC）Data Manual（版本號：M.2012）［Z］.德州：德州儀器公司，2012.

［5］ 德州儀器公司.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)參考手冊.TMS320C28x DSP/BIOS 5.x Application Programming Interface（API）Reference Guide，（版本號：S.2012）［Z］.德州：德州儀器公司，2012.

Development of New On-board Energy Storage System for Urban Rail Transit

CHENG Jianguo1，WEN Xiaolong2
（1 Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518000 Guangdong，China；2 Shenzhen Farad Electric Co.，Ltd.，Shenzhen 518000 Guangdong，China）

This paper analyzes the principle of train’s electric brake and the features of super-capacitor’s high stored energy and quick charging/discharging，and develops a new on-board energy storage device in place of train braking resistor based on the traditional centralized ground energy storage systems.The device is composed of the primary system and the secondary system，the primary system mainly consists of circuit breaker，IGBT and capacitor bank，and the secondary system mainly includes the controllers to control the IGBT of buck-boost modules.The device can effectively reduce the traction energy consumption of trains，reduce the heat dissipation of braking，and decrease the temperature rise in culvert to achieve the effect of energy conservation and emission reduction.As a result，the device can save the actual operating cost of trains and has good practical value.

train braking resistor；new type；on-board energy storage system；development

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.19

1008－7842（2014）06－0078－03

2—）男，碩士研究生（

2014－04－17）