沈陽(yáng)渾南現(xiàn)代有軌電車超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證*

曾桂珍 曾潤(rùn)忠

(華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院,330013,南昌∥第一作者,副教授)

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沈陽(yáng)渾南現(xiàn)代有軌電車超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證*

曾桂珍 曾潤(rùn)忠

(華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院,330013,南昌∥第一作者,副教授)

介紹了基于超級(jí)電容器技術(shù)的用于沈陽(yáng)渾南現(xiàn)代有軌電車的儲(chǔ)能裝置,并根據(jù)車輛應(yīng)用要求,對(duì)儲(chǔ)能裝置所需能量進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析及主要部件參數(shù)的計(jì)算,設(shè)計(jì)了一套用于車載的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置;并對(duì)儲(chǔ)能裝置所用超級(jí)電容器在所需工況下的電壓、電流等輸出及輸入?yún)?shù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,證明了計(jì)算結(jié)果正確、計(jì)算方法滿足現(xiàn)代有軌電車儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)要求

現(xiàn)代有軌電車; 超級(jí)電容器; 儲(chǔ)能系統(tǒng)

Author′s address School of Track Traffic,East China Jiaotong University,330013,Nanchang,China

城市軌道交通(以下簡(jiǎn)為“城軌”)架空接觸網(wǎng)或第三軌供電方式導(dǎo)致城軌車輛必須采用封閉的或?qū)Ｓ玫木€路,地鐵車輛可以在隧道、地面或高架上運(yùn)營(yíng),而現(xiàn)代有軌電車采用地面軌道線路,一般采用架空接觸網(wǎng)的供電方式,因此不僅影響城市的景觀環(huán)境，而且還會(huì)加大供電系統(tǒng)檢修維護(hù)的裝置安全難度。

為滿足現(xiàn)代有軌電車線路無(wú)架空接觸網(wǎng)區(qū)域的需要,采用車載儲(chǔ)能裝置。安裝在列車上的儲(chǔ)能裝置的制動(dòng)電流通路比安裝在地面儲(chǔ)能裝置的制動(dòng)電流通路要短得多,線電壓的波動(dòng)范圍也比地面儲(chǔ)能裝置小。而且使車載儲(chǔ)能裝置充電的閥值電壓較低,可有效地減少電能的損耗。由此可見(jiàn),車載儲(chǔ)能裝置統(tǒng)在節(jié)能、減少電網(wǎng)峰值功率和穩(wěn)定線網(wǎng)電壓方面有明顯的優(yōu)點(diǎn)。并且可持車載儲(chǔ)能吸收裝置看作一個(gè)能量來(lái)源,在與外部供電的情況下,可以短時(shí)間為列車提供能量,從而可省去部分架空接觸網(wǎng),這是新型城軌車輛發(fā)展的目標(biāo)和方向。

1 超級(jí)電容器能量分析

現(xiàn)代有軌電城軌車輛在正常運(yùn)行過(guò)程中,主要分為牽引和制動(dòng)兩種工況。沈陽(yáng)渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目中,超級(jí)電容器裝置主要用于車輛通過(guò)無(wú)受電網(wǎng)區(qū)域。車輛在無(wú)受電網(wǎng)區(qū)域內(nèi),會(huì)經(jīng)歷牽引—恒速—制動(dòng)過(guò)程,而牽引過(guò)程就是車輛的牽引系統(tǒng)克服車輛各種阻力進(jìn)行加速的過(guò)程。車載超級(jí)電容器裝置的能量必須克服車輛啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中的各種阻力,才能實(shí)現(xiàn)車輛的加速過(guò)程。車輛在正常運(yùn)行過(guò)程中,需要克服的阻力包括:車輛啟動(dòng)阻力、基本運(yùn)行阻力、彎道阻力、坡道阻力等。而車輛加速過(guò)程中,超級(jí)電容器裝置還需要為車輛的速度變化提供相應(yīng)的能量。

按照設(shè)計(jì)要求,車載超級(jí)電容器裝置能使車輛在線路中運(yùn)行1 km,其中包含30‰坡度的坡道長(zhǎng)100 m及2次車輛啟動(dòng)過(guò)程。在無(wú)架空接觸網(wǎng)區(qū)域通過(guò)時(shí)，車輛限制速度為20 km/h。

在有接觸網(wǎng)區(qū)域內(nèi),車輛在牽引工況時(shí),超級(jí)電容器信者能裝置用于提供牽引時(shí)的瞬時(shí)能量,以減少車輛對(duì)接觸網(wǎng)的能量需求。

車輛在恒速工況時(shí),超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置提供能量供車輛克服車輛的基本運(yùn)行阻力,以維持相應(yīng)速度的運(yùn)行。

車輛在進(jìn)行制動(dòng)工況時(shí),超級(jí)電容器信儲(chǔ)能裝置可吸收牽引逆變器再生制動(dòng)的能量。

2 超級(jí)電容器能量計(jì)算方法

當(dāng)列車在無(wú)架空接觸網(wǎng)區(qū)域處于牽引狀態(tài)時(shí)，需要超級(jí)電容器提供能量。超級(jí)電容器的能量主要是為車輛通過(guò)無(wú)架空接觸網(wǎng)區(qū)域時(shí)使用。因此下面僅對(duì)列車通過(guò)無(wú)受電區(qū)時(shí)，超級(jí)電容器能量能否滿足牽引工況需求進(jìn)行分析和計(jì)算。

牽引工況下，超級(jí)電容器能量主要保證車輛克服各種阻力以及車速變化的能量需求。現(xiàn)通過(guò)能量需求分析,進(jìn)行超級(jí)電容器的總能量計(jì)算。

2.1 車輛起動(dòng)阻力

車輛在起動(dòng)時(shí),需要克服車輛慣性等阻力,通常認(rèn)為車輛速度在3 km/h以下時(shí)車輛處于起動(dòng)過(guò)程中。車輛起動(dòng)過(guò)程中的阻力

(1)

式中:

R起——車輛起動(dòng)阻力,N；

m——車輛質(zhì)量,kg;

g——重力加速度,m/s2。

在起動(dòng)過(guò)程中,車輛按照一定加速度a從速度為零加速到v起(為3 km/h),則該過(guò)程中，車輛的能量需求為克服起動(dòng)阻力,此時(shí)牽引力恒定。在起動(dòng)過(guò)程中車輛的運(yùn)行距離為

(2)

則可得到車輛起動(dòng)過(guò)程所需要的能量

W起=R起×S起

(3)

2.2 車輛運(yùn)行基本阻力

車輛速度提高至3 km/h以上時(shí),車輛進(jìn)入到正常運(yùn)行狀態(tài)。按照設(shè)計(jì)要求,車輛在無(wú)架空接觸網(wǎng)區(qū)域內(nèi)限制速度為20 km/h。根據(jù)項(xiàng)目牽引電機(jī)的特性曲線設(shè)計(jì),車輛速度在20 km/h以下時(shí),其加速度是恒定的,據(jù)此，車輛基本阻力能耗計(jì)算過(guò)程如下。

+(0.046+0.006 5(N-1)Av2)]

(4)

式中：

R阻—車輛運(yùn)行基本阻力，N；

m——車輛質(zhì)量，kg；

n——車輛輪軸數(shù)量，個(gè)；

v——車輛速度，km/h；

N——車輛數(shù)量，輛；

A——車輛橫截面積，m2。

車輛加速過(guò)程所需的時(shí)間

(5)

則車輛運(yùn)行基本阻力的能耗為

[0.046+0.006 5(N-1)A(3.6 at)2)]adt

(6)

2.3 坡道阻力

車輛在通過(guò)坡道時(shí),受到坡道的阻力,需要超級(jí)電容器釋放能量來(lái)克服坡道阻力。

坡道阻力R坡是根據(jù)車輛質(zhì)量和坡道的坡度i計(jì)算得到的,即

(7)

車輛通過(guò)坡道需要的能量為

W坡=R坡×S坡

(8)

式中：

S坡——通過(guò)的坡道長(zhǎng)度。

2.4 曲線阻力

車輛通過(guò)曲線時(shí)受到曲線阻力,需要超級(jí)電容器釋放能量來(lái)克服曲線阻力。

曲線阻力R曲是根據(jù)車輛重量和曲線直徑D計(jì)算得到的。

(9)

車輛通過(guò)曲線需要的能量

W曲=R曲×S曲

(10)

式中：

S曲——車輛通過(guò)的曲線長(zhǎng)度。

2.5 車輛動(dòng)能變化引起的能量

車輛速度從0增加到20 km/h,其動(dòng)能在整個(gè)加速過(guò)程中出現(xiàn)了變化,該能量也是由超級(jí)電容器提供的。因此車輛動(dòng)能變化所需的能量

(11)

2.6 恒速過(guò)程中的阻力能量

車輛在恒速運(yùn)行過(guò)程中,整個(gè)車輛的基本運(yùn)行阻力為恒定值,因此所需要維持車輛恒速過(guò)程的能量為：

W行=R阻20×(S-S加-S制)

(12)

式中：

R阻20——車輛20 km/h運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行阻力；

S——車輛運(yùn)行的距離；

S加——車輛加速運(yùn)行的距離；

S制——車輛制動(dòng)運(yùn)行法距離。

在車輛整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,需要消耗能量的就是以上6項(xiàng)。車輛在制動(dòng)過(guò)程中是不消耗超級(jí)電容器能量的,并需要超級(jí)電容器對(duì)再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量進(jìn)行回收。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中再生制動(dòng)能量通過(guò)DC/DC(直流/直流)變換裝置回收到超級(jí)電容器上進(jìn)行儲(chǔ)存,對(duì)于多余的能量,可以通過(guò)制動(dòng)電阻進(jìn)行消耗。

3 車載超級(jí)電容器的配置方式

與蓄電池存在最佳工作區(qū)域不同,超級(jí)電容器沒(méi)有最佳工作區(qū)域,因此在設(shè)計(jì)超級(jí)電容器組時(shí),可有較大的裕量存在。超級(jí)電容器組的設(shè)計(jì)需要遵循以下3個(gè)原則:

(1) 超級(jí)電容器組的最大電壓應(yīng)該低于空載時(shí)直流母線的電壓UDC。這樣在超級(jí)電容器處于放電過(guò)程中時(shí),DC/DC變流器工作在Boost狀態(tài)。若是超級(jí)電容器的電壓過(guò)低,在Boost控制時(shí)對(duì)控制過(guò)程中的占空比要求很高。因此在設(shè)計(jì)雙向DC/DC變流器過(guò)程中,為了留有足夠的裕量,超級(jí)電容器的最大工作電壓Usc,max應(yīng)該滿足式(13)的約束關(guān)系。

Usc，max≤UDC

(13)

(2) 超級(jí)電容器的端電壓變化范圍為最大電壓的50%～100%。這樣，對(duì)于超級(jí)電容器來(lái)說(shuō)能夠使用的能量為存儲(chǔ)能量的75%左右,而這個(gè)變化范圍也被定義成超級(jí)電容器SOC(充電狀態(tài))的變化范圍,即滿足式(14)的約束。

0.5Usc，max≤Usc≤Usc，max

(14)

(3) 列車正常工作狀態(tài)下超級(jí)電容器的能量需要滿足上述所需耗能的要求,并且需要考慮車載設(shè)備體積和質(zhì)量的限制。

依照上述的設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)總能量為Esc的超級(jí)電容,電容值應(yīng)能滿足式(15)和(16)的要求：

(15)

Usc,min=0.5Usc,max

(16)

超級(jí)電容器的串聯(lián)數(shù)x和并聯(lián)數(shù)y可由式(17)和(18)表示。

(17)

(18)

式中：

Csc_cell——超級(jí)電容器單體電壓。

4 超級(jí)電容器參數(shù)及配置

在項(xiàng)目中,根據(jù)車輛能量和超級(jí)電容器的配置計(jì)算,最終選擇采用48 V、165 F超級(jí)電容器模組,采用12串4并的方式,將超級(jí)電容器進(jìn)行組合。整車超級(jí)電容器組具備1.6 kWh的能量。超級(jí)電容器組的主要參數(shù)如表1所示。

表1 超級(jí)電容器組的參數(shù)

5 超級(jí)電容器組的應(yīng)用過(guò)程分析及仿真驗(yàn)證

(1) 無(wú)架空接觸網(wǎng)區(qū)域的特性為:線路長(zhǎng)633 m;停車1次;1個(gè)彎道,其曲線半徑為35 m、曲線長(zhǎng)度為69 m;坡度最大為3.5‰。

(2) 無(wú)架空接觸區(qū)域內(nèi)的車輛參數(shù):車輛輪徑為620 mm;車輛載重以最大61.9 t計(jì)算;最大速度為20 km/h;車輛牽引力為84 kN，牽引功率為294 kW；所有輔助系統(tǒng)均被關(guān)閉,不消耗能量；控制系統(tǒng)采用車輛蓄電池供電。

仿真模擬時(shí),將車輛看做具有一定牽引和制動(dòng)特性面可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的點(diǎn),通過(guò)對(duì)其進(jìn)在一定線路情況下的行動(dòng)力學(xué)特性仿真模擬,可以得到一次停站的車輛運(yùn)情況仿真結(jié)果，如圖1～圖4所示。

由以上圖1到圖4可見(jiàn),在車輛運(yùn)行過(guò)程中,消耗能量較大的部分是車輛起動(dòng)過(guò)程；而超級(jí)電容器輸出電流較大的部分也是在車輛起動(dòng)過(guò)程,在制動(dòng)過(guò)程中,進(jìn)行能量回收,可以維持車輛更長(zhǎng)距離的運(yùn)行。

圖1 車輛速度時(shí)間曲線圖

圖2 車輛功率時(shí)間曲線圖

圖3 超級(jí)電容器電壓時(shí)間曲線

圖4 超級(jí)電容器電流時(shí)間曲線

如果要求車輛進(jìn)行多次停車,則通過(guò)同樣的仿真模擬,以驗(yàn)證超級(jí)電容器是否可以滿足要求(詳見(jiàn)圖5～圖8)。

圖5 車輛速度時(shí)間曲線圖

圖6 車輛功率時(shí)間曲線圖

圖7 超級(jí)電容器電壓時(shí)間曲線

圖8 超級(jí)電容器電流時(shí)間曲線

6 超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置的地面試驗(yàn)驗(yàn)證

基于裝置地面試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)超級(jí)電容器的充放電性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

(1) 恒流充電條件下，超級(jí)電容器的電壓和電流波形見(jiàn)圖9。

圖9 恒流充電條件下超級(jí)電容器的電壓和電流波形

(2) DC/DC變流器輸出750 V時(shí)，放電狀態(tài)下DC/DC變流器輸出電壓、電流波形和超級(jí)電容器輸出電壓、電流波形見(jiàn)圖10。

圖10 750 V恒壓輸出狀態(tài)下DC/DC變流器和超級(jí)電容器的電壓、電流波形

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出,項(xiàng)目選用的超級(jí)電容器組滿足最初的設(shè)計(jì)要求,能量計(jì)算過(guò)程正確,可以支持車輛通過(guò)無(wú)架空接觸網(wǎng)區(qū)域,并滿足相關(guān)性能要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)代有軌電車用的超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置進(jìn)行分析,總結(jié)并提出了現(xiàn)代有軌電車所需能量的計(jì)算方法,并通過(guò)實(shí)際案例,進(jìn)行了超級(jí)電容器的選取和配置。通過(guò)仿真和地面試驗(yàn)驗(yàn)證,證明了計(jì)算結(jié)果的正確,該計(jì)算方法可滿足現(xiàn)代有軌電車儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)要求。

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Design and Validation of Light Rail Vehicle with Energy Storage System in Shenyang Hunnan DistrictZENG Guizhen, ZENG Runzhong

The modern LRV running in Shenyang Hunnan District that based on super capacitor energy storage technology is described. According to the vehicle application requirements, the energy of this storage system is calculated. Through an analysis of the calculation results and the calculation of main component parameters, a set of super capacitor energy storage system is designed, the parameters of required voltage, current output and input of the energy storage system that adopts the super capacitor are simulated and verified. The result shows the calculation is correct, it could meet the requirements of energy storage for modern LRV.

light rail vehicle(LRV); super capacitor; energy storage system

*華東交通大學(xué)校立科研基金資助(15GD07)

U 482.103

10.16037/j.1007-869x.2016.05.016

2015-01-07)