車載超級(jí)電容地鐵列車的節(jié)能策略探析

王學(xué)安 徐士強(qiáng)

摘 要：地鐵列車在運(yùn)行過(guò)程中，需要大量的電能維持，因此，使用車載超級(jí)電容吸收和二次利用列車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。基于此，本文首先對(duì)地鐵列車和車載超級(jí)電容進(jìn)行建模，從完全吸收制動(dòng)能量的車載超級(jí)電容節(jié)能策略、減小電網(wǎng)峰值電流的超級(jí)電容節(jié)能策略等方面論述了車載超級(jí)電容地鐵列車的節(jié)能策略。

關(guān)鍵詞：車載超級(jí)電容;地鐵列車;節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.037

1 地鐵列車和車載超級(jí)電容的建模

1.1 列車運(yùn)行路線模型的建立

在對(duì)地鐵列車運(yùn)行路線進(jìn)行建模過(guò)程中，由于地鐵列車在牽引模式下，其電氣系統(tǒng)內(nèi)部的牽引逆變器會(huì)在較高頻率下進(jìn)行開關(guān)工作。如果單純的分析牽引逆變器的關(guān)斷和開通過(guò)程，那么仿真程序中地鐵列車的運(yùn)行速度是很難提高的?？梢哉J(rèn)為在分析地鐵列車能耗過(guò)程中，不需要考慮其仿真模型的開關(guān)狀態(tài)。因此，在建立列車運(yùn)行線路模型過(guò)程中，應(yīng)用功率流建模是最佳的方式，牽引網(wǎng)的線路應(yīng)用可變電阻，這樣就可以對(duì)地鐵列車行駛過(guò)程中，其距離變化和牽引網(wǎng)壓之間的關(guān)系進(jìn)行模擬。除此之外，列車應(yīng)用受控電流源對(duì)列車的制動(dòng)電流和列車牽引進(jìn)行模擬，并且設(shè)定啟動(dòng)制動(dòng)電阻時(shí)，電網(wǎng)電壓為1800V。

1.2 車載超級(jí)電容模型的建立

車載超級(jí)電容中的儲(chǔ)能裝置構(gòu)成部分主要有兩方面：其一是雙向DC-DC變換器（能量變換裝置）;其二是車載超級(jí)電容組?？刂颇芰孔儞Q裝置和控制地鐵列車中的牽引逆變器是兩個(gè)完全獨(dú)立的環(huán)節(jié)。因此原有地鐵列車節(jié)能控制策略不變的情況下，車載超級(jí)電容中的儲(chǔ)能系統(tǒng)就可以安裝在列車中，并且使用。在對(duì)車載超級(jí)電容進(jìn)行建模過(guò)程中，所需要的參數(shù)有電容值、額定電壓、等效串聯(lián)電阻、功率密度、質(zhì)量、電流峰值。牽引網(wǎng)在空載時(shí)設(shè)定其電壓為1500V，能量變換裝置的升壓比設(shè)定為3，將最大放電深度設(shè)定為50%，工作范圍設(shè)定為500-1000V，然后在將8個(gè)超級(jí)電容模塊串聯(lián)在一起，使其形成一個(gè)回路。這樣便完成了車載超級(jí)電容的建模。

2 車載超級(jí)電容地鐵列車的節(jié)能策略

2.1 完全吸收制動(dòng)能量的車載超級(jí)電容節(jié)能控制

在地鐵列車制動(dòng)過(guò)程中，會(huì)回饋大部分電能，因此，要充分利用車載超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置中吸收的制動(dòng)能量。在地鐵列車加速過(guò)程中，將制動(dòng)時(shí)回饋的電能釋放出來(lái)，為牽引列車提供能量，從而達(dá)到車載超級(jí)電容地鐵列車的節(jié)能策略。

例如：在某地鐵列車節(jié)能控制仿真過(guò)程中，設(shè)定車載超級(jí)電容的啟動(dòng)條件為地鐵列車輸送功率為1.5MW時(shí)，列車的最高速度為80km/h，地鐵列車途徑兩站之間的距離為1500m，分別對(duì)空載、額定荷載、超載等三種情況進(jìn)行列車運(yùn)行仿真。仿真結(jié)果為：（1）無(wú)超級(jí)電容時(shí)，空載的電網(wǎng)峰值電流為2300A，額定荷載的電網(wǎng)峰值電流為3521A，超載的電網(wǎng)峰值電流為4000A;空載的電網(wǎng)總耗能為24.51kWh，額定荷載的電網(wǎng)總耗能為35.94kWh，超載的電網(wǎng)總耗能為40.39kWh;空載的電網(wǎng)吸收電能為24.16kWh，額定荷載的電網(wǎng)吸收電能為35.17kWh，超載的電網(wǎng)吸收電能為39.31kWh;空載的回饋電能為11.18kWh，額定荷載的回饋電能為15.98kWh，超載的回饋電能為17.66kWh;（2）車載超級(jí)電容的仿真數(shù)據(jù)是空載的電網(wǎng)峰值電流為2283.8A，額定荷載的電網(wǎng)峰值電流為3521A，超載的電網(wǎng)峰值電流為4000A;空載的電網(wǎng)總耗能為23.07kWh，額定荷載的電網(wǎng)總耗能為34.55kWh，超載的電網(wǎng)總耗能為38.94kWh;空載的電網(wǎng)吸收電能為22.78kWh，額定荷載的電網(wǎng)吸收電能為33.81kWh，超載的電網(wǎng)吸收電能為37.89kWh;空載的回饋電能為11.23kWh，額定荷載的回饋電能為16.05kWh，超載的回饋電能為17.72kWh。

由上述結(jié)果可知，在沒(méi)有超級(jí)電容時(shí)，電網(wǎng)的總耗能為40.39kWh，列車的牽引能耗為39.31kWh;在加入車載超級(jí)電容之后，電網(wǎng)的總耗能為38.94kWh，列車的牽引能耗為37.89kWh，能耗下降了大約10%，這僅僅是一輛地鐵列車的仿真結(jié)果，所以完全吸收制動(dòng)能量的車載超級(jí)電容節(jié)能控制是非常有效的。

2.2 減小電網(wǎng)峰值電流中的超級(jí)電容節(jié)能控制

由于超級(jí)車載電容對(duì)于啟動(dòng)條件要求比較苛刻，而完全吸收制動(dòng)能量的車載超級(jí)電容節(jié)能控制雖然能夠回收并且二次利用列車的制動(dòng)能量。但是當(dāng)?shù)罔F列車所需功率逐漸增大時(shí)，車載超級(jí)電容會(huì)因?yàn)檫_(dá)到極限放電深度而慢慢使電流減小，所以對(duì)減小電網(wǎng)峰值電流起的作用不大。例如：將啟動(dòng)超級(jí)電容的條件設(shè)定為1.5MW，列車的最大速度為80km/h。為了使電網(wǎng)峰值電流降低，從而達(dá)到地鐵列車節(jié)能的目的，將啟動(dòng)超級(jí)電容的時(shí)間延遲，以此來(lái)確保當(dāng)列車功率達(dá)到最大時(shí)，超級(jí)電容有足夠大的電流?？紤]到超級(jí)電容在容量百分比為0.25時(shí)就會(huì)提前將放電電流降低，因此，此時(shí)將超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置中的電能充分利用，對(duì)地鐵列車的輔助系統(tǒng)進(jìn)行供電，然后對(duì)車載超級(jí)電容中剩余能量進(jìn)行二次利用，使騰出來(lái)的容量能夠?qū)⒘熊囅麓沃苿?dòng)時(shí)回饋的電能儲(chǔ)存起來(lái)。在進(jìn)行能量利用過(guò)程中，隨著啟動(dòng)車載超級(jí)電容時(shí)間的不同，接觸網(wǎng)牽引的峰值電流減小的程度也是不同的。但是不論什么時(shí)間啟動(dòng)車載超級(jí)電容，電網(wǎng)峰值電流下降的都是非常明顯的。因此地鐵列車安裝車載超級(jí)電容能夠最大限度的降低電網(wǎng)峰值電流，從而提高地鐵列車的節(jié)能效率。

3 結(jié)論

綜上所述，車載超級(jí)電容在地鐵列車中的應(yīng)用，能夠提高其節(jié)能能力。經(jīng)過(guò)上文分析可得，在仿真過(guò)程中，完全吸收制動(dòng)能量的車載超級(jí)電容節(jié)能策略，其能耗至少降低了10%，提高了地鐵列車的節(jié)能效率;減小電網(wǎng)峰值電流中的超級(jí)電容節(jié)能策略，主要是以降低電網(wǎng)峰值電流，控制其功率輸出為主，以此來(lái)提高節(jié)能能力。因此，將車載超級(jí)電容應(yīng)用在地鐵列車中非常重要。

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