沈阳浑南现代有轨电车超级电容器储能装置的设计及验证*

曾桂珍 曾润忠

(华东交通大学轨道交通学院,330013,南昌∥第一作者,副教授)



沈阳浑南现代有轨电车超级电容器储能装置的设计及验证*

曾桂珍 曾润忠

(华东交通大学轨道交通学院,330013,南昌∥第一作者,副教授)

介绍了基于超级电容器技术的用于沈阳浑南现代有轨电车的储能装置,并根据车辆应用要求,对储能装置所需能量进行了计算。通过对计算结果的分析及主要部件参数的计算,设计了一套用于车载的超级电容储能装置;并对储能装置所用超级电容器在所需工况下的电压、电流等输出及输入参数进行了仿真验证,证明了计算结果正确、计算方法满足现代有轨电车储能装置的设计要求

现代有轨电车; 超级电容器; 储能系统

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

城市轨道交通(以下简为“城轨”)架空接触网或第三轨供电方式导致城轨车辆必须采用封闭的或专用的线路,地铁车辆可以在隧道、地面或高架上运营,而现代有轨电车采用地面轨道线路,一般采用架空接触网的供电方式,因此不仅影响城市的景观环境，而且还会加大供电系统检修维护的装置安全难度。

为满足现代有轨电车线路无架空接触网区域的需要,采用车载储能装置。安装在列车上的储能装置的制动电流通路比安装在地面储能装置的制动电流通路要短得多,线电压的波动范围也比地面储能装置小。而且使车载储能装置充电的阀值电压较低,可有效地减少电能的损耗。由此可见,车载储能装置统在节能、减少电网峰值功率和稳定线网电压方面有明显的优点。并且可持车载储能吸收装置看作一个能量来源,在与外部供电的情况下,可以短时间为列车提供能量,从而可省去部分架空接触网,这是新型城轨车辆发展的目标和方向。

1 超级电容器能量分析

现代有轨电城轨车辆在正常运行过程中,主要分为牵引和制动两种工况。沈阳浑南新区现代有轨电车项目中,超级电容器装置主要用于车辆通过无受电网区域。车辆在无受电网区域内,会经历牵引—恒速—制动过程,而牵引过程就是车辆的牵引系统克服车辆各种阻力进行加速的过程。车载超级电容器装置的能量必须克服车辆启动及运行过程中的各种阻力,才能实现车辆的加速过程。车辆在正常运行过程中,需要克服的阻力包括:车辆启动阻力、基本运行阻力、弯道阻力、坡道阻力等。而车辆加速过程中,超级电容器装置还需要为车辆的速度变化提供相应的能量。

按照设计要求,车载超级电容器装置能使车辆在线路中运行1 km,其中包含30‰坡度的坡道长100 m及2次车辆启动过程。在无架空接触网区域通过时，车辆限制速度为20 km/h。

在有接触网区域内,车辆在牵引工况时,超级电容器信者能装置用于提供牵引时的瞬时能量,以减少车辆对接触网的能量需求。

车辆在恒速工况时,超级电容器储能装置提供能量供车辆克服车辆的基本运行阻力,以维持相应速度的运行。

车辆在进行制动工况时,超级电容器信储能装置可吸收牵引逆变器再生制动的能量。

2 超级电容器能量计算方法

当列车在无架空接触网区域处于牵引状态时，需要超级电容器提供能量。超级电容器的能量主要是为车辆通过无架空接触网区域时使用。因此下面仅对列车通过无受电区时，超级电容器能量能否满足牵引工况需求进行分析和计算。

牵引工况下，超级电容器能量主要保证车辆克服各种阻力以及车速变化的能量需求。现通过能量需求分析,进行超级电容器的总能量计算。

2.1 车辆起动阻力

车辆在起动时,需要克服车辆惯性等阻力,通常认为车辆速度在3 km/h以下时车辆处于起动过程中。车辆起动过程中的阻力

(1)

式中:

R起——车辆起动阻力,N；

m——车辆质量,kg;

g——重力加速度,m/s2。

在起动过程中,车辆按照一定加速度a从速度为零加速到v起(为3 km/h),则该过程中，车辆的能量需求为克服起动阻力,此时牵引力恒定。在起动过程中车辆的运行距离为

(2)

则可得到车辆起动过程所需要的能量

W起=R起×S起

(3)

2.2 车辆运行基本阻力

车辆速度提高至3 km/h以上时,车辆进入到正常运行状态。按照设计要求,车辆在无架空接触网区域内限制速度为20 km/h。根据项目牵引电机的特性曲线设计,车辆速度在20 km/h以下时,其加速度是恒定的,据此，车辆基本阻力能耗计算过程如下。

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

(4)

式中：

R阻—车辆运行基本阻力，N；

m——车辆质量，kg；

n——车辆轮轴数量，个；

v——车辆速度，km/h；

N——车辆数量，辆；

A——车辆横截面积，m2。

车辆加速过程所需的时间

(5)

则车辆运行基本阻力的能耗为

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

(6)

2.3 坡道阻力

车辆在通过坡道时,受到坡道的阻力,需要超级电容器释放能量来克服坡道阻力。

坡道阻力R坡是根据车辆质量和坡道的坡度i计算得到的,即

(7)

车辆通过坡道需要的能量为

W坡=R坡×S坡

(8)

式中：

S坡——通过的坡道长度。

2.4 曲线阻力

车辆通过曲线时受到曲线阻力,需要超级电容器释放能量来克服曲线阻力。

曲线阻力R曲是根据车辆重量和曲线直径D计算得到的。

(9)

车辆通过曲线需要的能量

W曲=R曲×S曲

(10)

式中：

S曲——车辆通过的曲线长度。

2.5 车辆动能变化引起的能量

车辆速度从0增加到20 km/h,其动能在整个加速过程中出现了变化,该能量也是由超级电容器提供的。因此车辆动能变化所需的能量

(11)

2.6 恒速过程中的阻力能量

车辆在恒速运行过程中,整个车辆的基本运行阻力为恒定值,因此所需要维持车辆恒速过程的能量为：

W行=R阻20×(S-S加-S制)

(12)

式中：

R阻20——车辆20 km/h运行时的运行阻力；

S——车辆运行的距离；

S加——车辆加速运行的距离；

S制——车辆制动运行法距离。

在车辆整个运行过程中,需要消耗能量的就是以上6项。车辆在制动过程中是不消耗超级电容器能量的,并需要超级电容器对再生制动产生的能量进行回收。在项目设计中再生制动能量通过DC/DC(直流/直流)变换装置回收到超级电容器上进行储存,对于多余的能量,可以通过制动电阻进行消耗。

3 车载超级电容器的配置方式

与蓄电池存在最佳工作区域不同,超级电容器没有最佳工作区域,因此在设计超级电容器组时,可有较大的裕量存在。超级电容器组的设计需要遵循以下3个原则:

(1) 超级电容器组的最大电压应该低于空载时直流母线的电压UDC。这样在超级电容器处于放电过程中时,DC/DC变流器工作在Boost状态。若是超级电容器的电压过低,在Boost控制时对控制过程中的占空比要求很高。因此在设计双向DC/DC变流器过程中,为了留有足够的裕量,超级电容器的最大工作电压Usc,max应该满足式(13)的约束关系。

Usc，max≤UDC

(13)

(2) 超级电容器的端电压变化范围为最大电压的50%～100%。这样，对于超级电容器来说能够使用的能量为存储能量的75%左右,而这个变化范围也被定义成超级电容器SOC(充电状态)的变化范围,即满足式(14)的约束。

0.5Usc，max≤Usc≤Usc，max

(14)

(3) 列车正常工作状态下超级电容器的能量需要满足上述所需耗能的要求,并且需要考虑车载设备体积和质量的限制。

依照上述的设计原则,设计总能量为Esc的超级电容,电容值应能满足式(15)和(16)的要求：

(15)

Usc,min=0.5Usc,max

(16)

超级电容器的串联数x和并联数y可由式(17)和(18)表示。

(17)

(18)

式中：

Csc_cell——超级电容器单体电压。

4 超级电容器参数及配置

在项目中,根据车辆能量和超级电容器的配置计算,最终选择采用48 V、165 F超级电容器模组,采用12串4并的方式,将超级电容器进行组合。整车超级电容器组具备1.6 kWh的能量。超级电容器组的主要参数如表1所示。

表1 超级电容器组的参数

5 超级电容器组的应用过程分析及仿真验证

(1) 无架空接触网区域的特性为:线路长633 m;停车1次;1个弯道,其曲线半径为35 m、曲线长度为69 m;坡度最大为3.5‰。

(2) 无架空接触区域内的车辆参数:车辆轮径为620 mm;车辆载重以最大61.9 t计算;最大速度为20 km/h;车辆牵引力为84 kN，牵引功率为294 kW；所有辅助系统均被关闭,不消耗能量；控制系统采用车辆蓄电池供电。

仿真模拟时,将车辆看做具有一定牵引和制动特性面可以进行运动的点,通过对其进在一定线路情况下的行动力学特性仿真模拟,可以得到一次停站的车辆运情况仿真结果，如图1～图4所示。

由以上图1到图4可见,在车辆运行过程中,消耗能量较大的部分是车辆起动过程；而超级电容器输出电流较大的部分也是在车辆起动过程,在制动过程中,进行能量回收,可以维持车辆更长距离的运行。

图1 车辆速度时间曲线图

图2 车辆功率时间曲线图

图3 超级电容器电压时间曲线

图4 超级电容器电流时间曲线

如果要求车辆进行多次停车,则通过同样的仿真模拟,以验证超级电容器是否可以满足要求(详见图5～图8)。

图5 车辆速度时间曲线图

图6 车辆功率时间曲线图

图7 超级电容器电压时间曲线

图8 超级电容器电流时间曲线

6 超级电容器储能装置的地面试验验证

基于装置地面试验平台,对超级电容器的充放电性能进行试验测试。

(1) 恒流充电条件下，超级电容器的电压和电流波形见图9。

图9 恒流充电条件下超级电容器的电压和电流波形

(2) DC/DC变流器输出750 V时，放电状态下DC/DC变流器输出电压、电流波形和超级电容器输出电压、电流波形见图10。

图10 750 V恒压输出状态下DC/DC变流器和超级电容器的电压、电流波形

通过试验验证可以看出,项目选用的超级电容器组满足最初的设计要求,能量计算过程正确,可以支持车辆通过无架空接触网区域,并满足相关性能要求。

7 结语

本文通过对现代有轨电车用的超级电容器储能装置进行分析,总结并提出了现代有轨电车所需能量的计算方法,并通过实际案例,进行了超级电容器的选取和配置。通过仿真和地面试验验证,证明了计算结果的正确,该计算方法可满足现代有轨电车储能装置的设计要求。

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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

*华东交通大学校立科研基金资助(15GD07)

U 482.103

10.16037/j.1007-869x.2016.05.016

2015-01-07)