基于城軌超級電容儲能系統(tǒng)

伍雨彬 蔡苗苗

摘要：超級電容被廣泛應(yīng)用于交通運偷、工業(yè)、新能源及裝備等其他領(lǐng)域，隨著新能源的大力發(fā)展，在城軌領(lǐng)域，軌道交通環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點已越來越受到重視，大力發(fā)展軌道公共交通已成為世界各國的共識。超級電容與二次電池相比具有循環(huán)壽命長、充放電為物理變化、對環(huán)境無污染、功率密度高、SOC檢測容易等優(yōu)點，超級電容將成為未來軌道交通領(lǐng)域中儲能元件的一個重要選擇。

關(guān)鍵詞：軌道交通;超級電容;儲能系統(tǒng)

1 引言

在城軌交通運營中，現(xiàn)代城軌列車普遍采用再生制動的方式將能量回饋到接觸網(wǎng)，而這些能量除了被直流電網(wǎng)吸收和按一定比例被其他相鄰列車吸收利用外，剩余能量主要被車輛的制動電阻以發(fā)熱的方式消耗點或被線路上的裝置吸收，在城軌交通中，采用超級電容儲能裝置對城軌交通供電系統(tǒng)進行抑制網(wǎng)壓波動和回收制動能量，大大提高了城軌系統(tǒng)能量利用率，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，促進可持續(xù)發(fā)展。

2 超級電容

超級電容屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量，其容量比通常的電容器大得多。

超級電容器結(jié)構(gòu)上的具體細節(jié)依賴于對超級電容器的應(yīng)用和使用。所有超級電容器的共性是，他們都包含一個正極，一個負極，及這兩個電極之間的隔膜，電解液填補由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。

3 城軌超級電容儲能系統(tǒng)

超級電容是容值可達數(shù)千法拉的電容器，其充放電過程無能量轉(zhuǎn)換，只涉及電能交換，效率很高，循環(huán)壽命長。城軌超級電容儲能型再生制動能量吸收方式可分為車載式和地面式2種，為了維護方便，地面式儲能系統(tǒng)通常安裝在牽引變電所。由于接觸網(wǎng)存在阻抗，在列車牽引運行時會造成接觸網(wǎng)線路損耗，而車載式儲能系統(tǒng)安裝在車上，存儲制動能量無需經(jīng)過接觸網(wǎng)，避免了接觸網(wǎng)線路損耗。車載儲能裝置容量配置僅需考慮列車自身制動功率和能量，而地面式儲能裝置需要綜合考慮發(fā)車密度、供電區(qū)間長度等因素，容量配置較為困難。

4 含車載超級電容的城軌列車運行系統(tǒng)

含車載超級電容的城軌列車運行系統(tǒng)分牽引制動系統(tǒng)和超級電容儲能系統(tǒng)兩部分。超級電容儲能系統(tǒng)與列車的牽引制動系統(tǒng)并聯(lián)連接，并獨立控制。超級電容儲能系統(tǒng)由雙向DC/DC變換器和超級電容器組兩部分組成。當列車牽引/制動時，超級電容儲能系統(tǒng)釋放/吸收系統(tǒng)能量。該系統(tǒng)中包括I₁電網(wǎng)電流，I_d為列車所需要的電流，I_s為儲能系統(tǒng)的輸出電流。則滿足：I_d=I₁+I_s。

雙向DC/DC變換器可分為隔離式和非隔離式兩種。非隔離式器件少、效率高、控制簡單，而且，非隔離式雙向DC/DC變換器可實現(xiàn)雙象限運行，即變換器兩端電壓方向不變，但電流方向可以改變，在功能上相當于Boost變換器和Buck變換器的組合。這些特點非常符合車載超級電容儲能系統(tǒng)的工作特點，故選擇非隔離式變換器。非隔離式儲能裝置結(jié)構(gòu)圖儲能裝置的工作狀態(tài)有3種：充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和保持狀態(tài)。用PWM方式控制開關(guān)管的T₁、T₂導通與關(guān)斷。當開關(guān)管T₁導通T₂關(guān)斷時，T2反并聯(lián)二極管續(xù)流，雙向DC-DC變換器工作在Buck電路狀態(tài)，即儲能裝置工作在充電狀態(tài);當開關(guān)管T₂導通T₁關(guān)斷時，T₁反并聯(lián)二極管續(xù)流，雙向DC-DC變換器工作在Boost電路狀態(tài)，即儲能裝置工作在放電狀態(tài);當開關(guān)管T₁和T₂都處于關(guān)斷狀態(tài)時，雙向DC-DC變換器停止工作，儲能裝置處于備用保持狀態(tài)。儲能裝置連續(xù)不斷地在上面三種狀態(tài)之間切換，避免了直流電網(wǎng)電壓的大范圍波動，起到了節(jié)能和穩(wěn)壓的作用。

4.1 超級電容儲能系統(tǒng)方案設(shè)計步驟

超級電容儲能系統(tǒng)由直流電源BMS主控制器、BMS子控制器、傳感器、執(zhí)行器和多個超級電容組構(gòu)成。方案需要完成的內(nèi)容有：編寫輸入輸出對照表，繪制功能流程圖，用編程軟件在電腦上進行軟件仿真，在實驗室與電腦相連，進行系統(tǒng)仿真，調(diào)試，觀察按鍵，制動按鈕等功能是否得以實現(xiàn)，根據(jù)實際情況進行調(diào)試，直到系統(tǒng)完全正常為止。

5 結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的猛速發(fā)展，我國在鐵路機車制造業(yè)基礎(chǔ)上，通過技術(shù)引進、消化吸收、自主創(chuàng)新，在新型供電制式與車載儲能技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破，形成了目前的新型儲能式軌道車輛。本文針對列車制動過程中電阻吸收制動能量的缺點，引入超級電容儲能裝置。該裝置將電容組存儲制動時產(chǎn)生的能量供列車加速使用，這樣不僅節(jié)約能源、減少污染，還能改善電網(wǎng)供電品質(zhì)。將超級電容儲能系統(tǒng)應(yīng)用到城市交通車輛上，這對節(jié)能和環(huán)保具有重要意義。

參考文獻

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