有軌電車(chē)超級(jí)電容的電能管理

閆春樂(lè) 簡(jiǎn)優(yōu)宗

?

有軌電車(chē)超級(jí)電容的電能管理

閆春樂(lè) 簡(jiǎn)優(yōu)宗

分析有軌電車(chē)中超級(jí)電容的電能管理，立足于實(shí)際應(yīng)用的可行性和便捷性，研究系統(tǒng)的配置方案，給出超級(jí)電容各部分的電路拓?fù)浜涂刂撇呗?。最后依?jù)超級(jí)電容本身的特點(diǎn)，分析車(chē)載電容器組的組合方式以及組合后整體耐壓與容值的變化特點(diǎn)。

有軌電車(chē)；超級(jí)電容；電能管理

0　引言

有軌電車(chē)是一種集約化的交通方式，但龐大的系統(tǒng)仍然使其躋身于城市能耗大戶(hù)的行列。有軌電車(chē)的網(wǎng)絡(luò)能耗具有可預(yù)測(cè)性、可調(diào)節(jié)性以及二次節(jié)能的特征，在降低能耗方面存在著巨大潛力[1~3]。

1　系統(tǒng)介紹

有軌電車(chē)在啟動(dòng)過(guò)程中需要很大的啟動(dòng)電流以產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在制動(dòng)過(guò)程中為了快速準(zhǔn)確的?？吭谝?guī)定位置，必須采用電氣制動(dòng)的方式。在制動(dòng)過(guò)程中如果不能采用能量回饋的方式對(duì)制動(dòng)能量回收，將產(chǎn)生極大的能源浪費(fèi)，使整個(gè)車(chē)輛運(yùn)行中的能源利用率極低，這在大力提倡節(jié)能環(huán)保的形勢(shì)下是不允許的。

要對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收，就必須要有儲(chǔ)能裝置，而目前常用的蓄電池、飛輪和超級(jí)電容等儲(chǔ)能裝置中，超級(jí)電容的功率密度、效率和壽命等均處于優(yōu)勢(shì)地位，因此被各界廣泛采用[4~6]，以下就有軌電車(chē)中超級(jí)電容的電能管理方法進(jìn)行分析。

2　超級(jí)電容配置方案

2.1充電方案

在有軌電車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，將超級(jí)電容裝載在列車(chē)上，利用超級(jí)電容正負(fù)極快接方式在列車(chē)靠近站臺(tái)的位置引出充電端子，在每個(gè)站臺(tái)都設(shè)置快速充電裝置，通過(guò) 2 根電纜與超級(jí)電容引出的快接接頭進(jìn)行電氣連接，并將超級(jí)電容與充電裝置的連接狀態(tài)作為反饋信號(hào)送至快速充電裝置。當(dāng)列車(chē)到站停穩(wěn)后，工作人員將充電裝置的輸出電纜快接接頭接至超級(jí)電容正負(fù)端子的快接接頭上，充電裝置檢測(cè)到電氣回路接通后，即開(kāi)始快速充電，當(dāng)超級(jí)電容組電壓升到規(guī)定值或充電時(shí)間已經(jīng)達(dá)到列車(chē)在該車(chē)站允許停留的時(shí)間時(shí)，充電裝置自動(dòng)停止輸出，工作人員拔下充電裝置的快接接頭，列車(chē)充電完成。

2.2供電方案

超級(jí)電容組給列車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)供電是通過(guò) 1 個(gè)四象限變流器連接超級(jí)電容與驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在加速過(guò)程中，變流器將超級(jí)電容中儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)換為適合當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速的交流電供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)列車(chē)前進(jìn)。當(dāng)列車(chē)即將進(jìn)站時(shí)，列車(chē)減速運(yùn)行進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，電機(jī)運(yùn)行處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。此時(shí)，變流器將交流電整流為直流電送至超級(jí)電容。超級(jí)電容總體配置方案如圖 1 所示。

圖1　有軌電車(chē)超級(jí)電容總體配置方案

3　超級(jí)電容組的能量交換方案

3.1超級(jí)電容組的充電模式

3.1.1超級(jí)電容電氣特性

超級(jí)電容的電氣特性如下：

但到了人類(lèi)問(wèn)世、文明啟門(mén)，麻煩就接踵而至了。照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)，地球生命的自斷生路或全盤(pán)滅絕，從天文尺度看，未必不是一件指日可待的事。

超級(jí)電容中儲(chǔ)存能量為：

其中，C 為超級(jí)電容組的等效電容；U 為電容組電壓；i 為充電電流；t 為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間；W 為電能。

依據(jù)式（1）可以看出，電容兩端電壓的變化率與電容兩端的電流成正比，即電流流入電壓正端時(shí)，電容電壓升高，體現(xiàn)為給電容充電；電流從正端流出時(shí)，電容電壓降低，體現(xiàn)為電容放電過(guò)程。式（2）給出了在電流作用下電容兩端電壓的變化情況，電流越大，同樣時(shí)間下電壓變化越大；在同樣電流下，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，電壓變化越大。由式（3）可知，電容存儲(chǔ)能量與電容兩端電壓的平方成正比，為了增加儲(chǔ)存能量，就必須提高電容兩端的電壓。式（4）也定量給出了電容兩端電壓升高時(shí)能量變化量的大小。

因此，在充電過(guò)程中，若想給超級(jí)電容儲(chǔ)存更多的能量，一是要提供較大的充電電流，二是要維持足夠長(zhǎng)的充電時(shí)間。

3.1.2BUCK電路

目前多采用斬波降壓（BUCK）電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2　BUCK 電路原理圖

該電路電壓方程如下：

BUCK 電路采用電流閉環(huán)、電壓限制的方式進(jìn)行控制。通過(guò)高頻脈寬調(diào)制方式控制主控開(kāi)關(guān)通斷的占空比 D，可準(zhǔn)確控制輸出電流的大小，控制給超級(jí)電容充電的速度。其閉環(huán)控制方程如下：

BUCK 電路工作過(guò)程中能量變化如下：三相電源經(jīng)二極管布控整流后輸出直流電壓，接入 BUCK 電路，在BUCK 電路的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，直流電壓流經(jīng)電感給 BUCK電容充電，同時(shí)經(jīng)快速接頭給超級(jí)電容供電。當(dāng) BUCK開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí) BUCK 電容中儲(chǔ)存的能量釋放，經(jīng)快速接頭供給超級(jí)電容，同時(shí)二極管起到續(xù)流作用，可避免在電感二端出現(xiàn)過(guò)電壓。由于采用高頻脈寬調(diào)制模式控制，輸出電壓電流諧波將會(huì)控制在很低的范圍內(nèi)。

3.2超級(jí)電容組的供電模式

3.2.1PWM方式

超級(jí)電容與列車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的電氣連接要求能量能夠雙向流動(dòng)，因此采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）可控整流方式（圖3）。在列車(chē)啟動(dòng)或者加速運(yùn)行時(shí)超級(jí)電容的能量通過(guò)PWM整流器逆變輸出三相交流電供給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。在列車(chē)減速的制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其制動(dòng)能量通過(guò) PWM 整流器給超級(jí)電容充電，實(shí)現(xiàn)了能量回饋，在提高效率的同時(shí)也減小了由于機(jī)械制動(dòng)增加的磨損問(wèn)題。能量回饋如圖 4 所示[7]。

3.2.2SVPWM方式

三相橋臂都采用可控器件，逆變時(shí)電流流經(jīng)上橋全控器件和下橋的反并聯(lián)二極管，整流時(shí)電流流經(jīng)上橋二極管和下橋的全控器件。通過(guò)對(duì)全控器件的控制，可以控制電流的流向，目前常采用的控制方式是空間矢量脈沖寬度調(diào)制（SVPWM）控制。其電壓方程如下：

圖3　PWM 電路示意圖

圖4　PWM 方式能量回饋示意圖

展開(kāi)得：

其中，ed、eq、e0為電網(wǎng)側(cè)二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 dqo 軸的電壓分量；id、iq、i0為二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 dqo 軸的電流分量；vd、vq、v0為三相橋臂二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 dqo 軸的電壓分量；R、L為回路等效電阻、電感；w 為交流電壓角速度；p 為微分算子。

可以看出，d、q 軸分量相互耦合，給控制器設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，需要采用前饋解耦的控制策略，如果電流環(huán)用 PI 調(diào)節(jié)，則控制方程如下：

可以得到 dqo 坐標(biāo)系下 PWM 整流器電流環(huán)的解耦框圖如圖 5 所示，該部分控制策略如圖 6 所示。

圖5　PWM 整流器電流內(nèi)環(huán)解耦示意圖

圖6　能量回饋部分控制策略框圖

4　超級(jí)電容組的組成方式

超級(jí)電容有著單個(gè)電容電壓低、容值大的特點(diǎn)，一般單體電壓只有幾伏，容值則能達(dá)到上萬(wàn)法拉。有軌電車(chē)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中所用的電壓較高，如廣東某項(xiàng)目實(shí)際電壓為 900V。因此，必須采用超級(jí)電容串聯(lián)的方式提高其供電電壓。但是電容的串聯(lián)會(huì)直接導(dǎo)致容值成比例的下降，需采用并聯(lián)的方式增大其容值，以便增大能量?jī)?chǔ)存能力。

設(shè)單體超級(jí)電容的耐壓值為 u0，容值為 c0，串聯(lián)數(shù)量為 m，并聯(lián)數(shù)量為 n，則該電容組的耐壓值和容值分別為：

該電容組電容數(shù)量 R 為：

5　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)有軌電車(chē)的實(shí)際需求，提出了超級(jí)電容的系統(tǒng)配置方案，以及充放電電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略。據(jù)此設(shè)計(jì)的超級(jí)電容電能管理裝置在某有軌電車(chē)項(xiàng)目上順利投運(yùn)，驗(yàn)證了該方案的合理性和可行性。

[1] 朱青華，馮憲瑞. 基于超級(jí)電容原理的車(chē)載儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用分析[J]. 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2013，33（3）：90-94.

[2] 侯偉，王文濤，鄢婉娟. 超級(jí)電容組在軌實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 電源技術(shù)，2014，38（2）：310-314.

[3] 孟彥京，張商州，陳景文，等. 充電方式對(duì)超級(jí)電容能量效率的影響[J]. 電子器件，2014，37（1）：13-16.

[4] 朱波，樸學(xué)松，楊建宇. 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在軌道車(chē)輛的應(yīng)用[J]. 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2014，34（2）：74-77.

[5] 杜爽，左春桂. 超級(jí)電容混合動(dòng)力汽車(chē)能量存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展研究[J]. 電源技術(shù)，2014，38（3）：589-595.

[6] 張莉，吳延平，李琛，等. 基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的均壓放電控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29 （4）：329-333.

[7] 簡(jiǎn)優(yōu)宗. 風(fēng)力發(fā)電變流技術(shù)研究[D]. 黑龍江哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2011.

Super Capacitor Energy Management in Tram

Yan Chunle, Jian Youzong

The super capacitor electric energy management of the trams are analyzed based on the practical application feasibility and convenience, the paper makes study on the confi guration scheme of the system, and provides the circuit topology and control strategy of all parts of the super capacitor. In its fi nal part, the paper analyzes the confi guration structure scheme of tram capacitor group and characteristics of the overall pressure and the change of capacitance value after the confi guration based on the characteristics of the super capacitor. Keywords: tram, super capacitor, energy management

U264

閆春樂(lè)：國(guó)電南瑞科技股份有限公司，助理工程師，江蘇南京 211060

2015-09-30責(zé)任編輯 凌晨