劉助威 張世友 謝耀征
【摘 要】文章簡述了現(xiàn)代有軌電車的供電方式,介紹了天水市有軌電車示范線(一期)項(xiàng)目有軌電車整車的基本技術(shù)參數(shù)。通過對項(xiàng)目整個線路的電量消耗仿真確定儲能系統(tǒng)的初步電量及配置,依據(jù)線路網(wǎng)側(cè)電流仿真校核車載儲能系統(tǒng)的容量,并與目前幾種常用車載儲能系統(tǒng)進(jìn)行簡要對比;確保所述儲能系統(tǒng)滿足項(xiàng)目要求。
【關(guān)鍵詞】儲能;超級電容;100%低地板有軌電車
【中圖分類號】U482.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688(2020)09-0048-03
0 前言
目前,我國新型有軌電車發(fā)展迅速,現(xiàn)有100%低地板有軌電車供電方案主要包括接觸網(wǎng)供電和無接觸網(wǎng)兩種供電方式;無接觸網(wǎng)供電又主要分為地面供電方式和采用車載儲能裝置供電方式[1-4](如圖1、圖2所示)。
國內(nèi)車載儲能介質(zhì)主要有鋰電池、超級電容等,各介質(zhì)主要特性對比分析見表1。
1 車輛總體技術(shù)參數(shù)
天水市有軌電車示范線(一期)項(xiàng)目采用的車型為5個模塊編組,2個動力轉(zhuǎn)向架,1個拖動轉(zhuǎn)向架,雙向行駛,正線采用儲能式無架空接觸網(wǎng)供電方式運(yùn)行,具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的100%低地板現(xiàn)代有軌電車。主要技術(shù)參數(shù)見表2。
2 儲能系統(tǒng)配置
天水市有軌電車示范線工程(一期)線路平均站間距大于1 km,目前國內(nèi)采用超級電容(EDLC)儲能介質(zhì)的項(xiàng)目基本平均站間距都小于1 km,因?yàn)镋DLC能量密度比較低,所以如果要實(shí)現(xiàn)大站間距的運(yùn)行,必然需要配置更多的超級電容,而現(xiàn)代有軌電車車頂設(shè)備安裝空間有限。
為了滿足天水市有軌電車縮短發(fā)車間隔的需求,需要有軌電車所載儲能介質(zhì)具有較高的功率密度滿足快速充電的需求,并且需要該存儲介質(zhì)具有一定的能量密度,以滿足有軌電車在站間的續(xù)航。超級電容是目前常見的功率密度較大的儲能介質(zhì),但是通過表1可知,一般的雙電層超級電容能量密度太低,為滿足能量密度的需求,在此選取由美國MAXWELL公司和中車青島四方車輛研究所共同開發(fā)的鋰離子超級電容(LCAP),這種超級電容兼具了功率密度大和能量密度高的優(yōu)點(diǎn),并且具有高達(dá)100萬次的循環(huán)使用壽命及-30 ℃正常運(yùn)行的特性,比較適合在有軌電車車載儲能中應(yīng)用。
依據(jù)線路仿真結(jié)果,全線路站間能耗如圖3所示。
由圖3可見,整車對超容電量需求最大站間耗電量為12 kW·h(不考慮再生制動),考慮系統(tǒng)壽命后期容值衰減至80%,則要求儲能系統(tǒng)初始可用電量:
W初≥Wmax/μ=12/0.8=15 kW·h(Wmax表示區(qū)間最大耗電量,μ表示衰減系統(tǒng))。
依據(jù)電量計算,初步配置的整個超級電容供電系統(tǒng)包括100個超級電容模組,采用10串10并,分為3個箱子,其中2個箱子中含40個模組(I型箱),采用10串4并;另一個箱子中含有20個模組(II型箱),采用10串2并。
每個箱體配置一臺接觸器,在其中某一組發(fā)生故障時可以單獨(dú)切除。3個超容箱體并聯(lián)在一起,總共可以提供最大為1 222 kW、最少為765 kW的輸出功率(考慮內(nèi)阻影響),并且可以提供16.8 kW·h的初值電能,系統(tǒng)整個供電系統(tǒng)的基本配置見表3。
3 儲能系統(tǒng)詳細(xì)說明
3.1 儲能系統(tǒng)容量校核
列車儲能供電系統(tǒng)由3個超級電容箱體組成,安裝于有軌電車的頂部,列車運(yùn)行期間,牽引系統(tǒng)及輔助供電系統(tǒng)直接從超級電容取電,電車進(jìn)站期間,由充電機(jī)對超級電容儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電保證列車在站間的能量消耗。超級電容儲能系統(tǒng)會將系統(tǒng)停止放電和停止充電信號反饋到整車控制器,保護(hù)超級電容系統(tǒng)。
制動時優(yōu)先使用再生制動,即牽引系統(tǒng)將制動能量饋入超級電容箱體內(nèi)。超級電容的工作范圍為510~815 V,制動反饋能導(dǎo)致超級電容電壓不應(yīng)超過815 V時(緊急制動),制動反饋電流不應(yīng)超過每個箱子額定充放電電流。
儲能系統(tǒng)性能參數(shù)見表4。儲能系統(tǒng)充放電電流校核。依據(jù)牽引仿真計算,全線路網(wǎng)側(cè)電流如圖4所示。
根據(jù)牽引計算結(jié)果,車輛行車過程中:最大牽引電流≤1 200 A;最大再生制動電流≤1 300 A。
(1)整車超容儲能系統(tǒng)采用10S10P,每個I型超容箱采用10S4P,因此I型超容箱,在正常行車中,最大牽引電流≤480 A,最大再生制動電流≤520 A;II型超容箱最大牽引電流≤240 A,最大再生制動電流≤260 A。
(2)站內(nèi)整車充電電流為1 500 A,I型箱充電電流為600 A;II型箱充電電流為300 A。
對比表4,可知所選車載儲能裝置能滿足項(xiàng)目設(shè)計需求。
3.2 車站充電控制
當(dāng)充電樁檢測到車輛的電子標(biāo)簽,表明車輛已經(jīng)進(jìn)站,同時充電樁檢測車輛母線電壓在范圍之內(nèi),上述兩個條件同時具備時,充電樁給車載儲能進(jìn)行試充電;試充的目的是檢測車載儲能的狀態(tài);理想充電曲線如圖5所示。
充電樁以恒定電流i對儲能系統(tǒng)進(jìn)行試充;試充時間為t。
充電樁在試充時間段取兩個采樣點(diǎn),Ta/Tb;采集相應(yīng)的累計電荷量及電壓值,進(jìn)行容值計算,根據(jù)容量計算公式:C=ΔQ/ΔU[其中:ΔQ=Qb-Qa=i×(Tb-Ta)],ΔU=Ub-Ua。
可以計算整車儲能系統(tǒng)容值,從而判斷幾個儲能箱體在線,這樣在試充結(jié)束后可以依據(jù)實(shí)際在線儲能箱體的個數(shù)進(jìn)行電流調(diào)整。當(dāng)充電結(jié)束后,充電樁檢測到車輛離開充電柜時,斷開充電電路,車輛離站,整個充電過程結(jié)束。
4 結(jié)語
本文介紹的有軌電車儲能系統(tǒng)能夠很好地滿足天水項(xiàng)目的技術(shù)需求,提供了一個較大站間距的全程無架線的儲能系統(tǒng)解決方案。目前,車載儲能式有軌電車正處于發(fā)展階段,國內(nèi)主要的車載儲能介質(zhì)有鋰電池/超級電容,但上述兩種儲能方式都有一定的弊端,本文描述的儲能系統(tǒng)在一定程度上兼顧了電量和功率兩個因素,能在很好地滿足牽引加速性能的同時,盡可能地延長站間距。
參 考 文 獻(xiàn)
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