天水市100%低地板有轨电车储能系统研究

刘助威 张世友 谢耀征

【摘 要】文章简述了现代有轨电车的供电方式，介绍了天水市有轨电车示范线（一期）项目有轨电车整车的基本技术参数。通过对项目整个线路的电量消耗仿真确定储能系统的初步电量及配置，依据线路网侧电流仿真校核车载储能系统的容量，并与目前几种常用车载储能系统进行简要对比;确保所述储能系统满足项目要求。

【关键词】储能;超级电容;100%低地板有轨电车

【中图分类号】U482.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）09-0048-03

0 前言

目前，我国新型有轨电车发展迅速，现有100%低地板有轨电车供电方案主要包括接触网供电和无接触网两种供电方式;无接触网供电又主要分为地面供电方式和采用车载储能装置供电方式[1-4]（如图1、图2所示）。

国内车载储能介质主要有锂电池、超级电容等，各介质主要特性对比分析见表1。

1 车辆总体技术参数

天水市有轨电车示范线（一期）项目采用的车型为5个模块编组，2个动力转向架，1个拖动转向架，双向行驶，正线采用储能式无架空接触网供電方式运行，具有模块化、标准化的100%低地板现代有轨电车。主要技术参数见表2。

2 储能系统配置

天水市有轨电车示范线工程（一期）线路平均站间距大于1 km，目前国内采用超级电容（EDLC）储能介质的项目基本平均站间距都小于1 km，因为EDLC能量密度比较低，所以如果要实现大站间距的运行，必然需要配置更多的超级电容，而现代有轨电车车顶设备安装空间有限。

为了满足天水市有轨电车缩短发车间隔的需求，需要有轨电车所载储能介质具有较高的功率密度满足快速充电的需求，并且需要该存储介质具有一定的能量密度，以满足有轨电车在站间的续航。超级电容是目前常见的功率密度较大的储能介质，但是通过表1可知，一般的双电层超级电容能量密度太低，为满足能量密度的需求，在此选取由美国MAXWELL公司和中车青岛四方车辆研究所共同开发的锂离子超级电容（LCAP），这种超级电容兼具了功率密度大和能量密度高的优点，并且具有高达100万次的循环使用寿命及-30 ℃正常运行的特性，比较适合在有轨电车车载储能中应用。

依据线路仿真结果，全线路站间能耗如图3所示。

由图3可见，整车对超容电量需求最大站间耗电量为12 kW·h（不考虑再生制动），考虑系统寿命后期容值衰减至80%，则要求储能系统初始可用电量：

W初≥Wmax/μ=12/0.8=15 kW·h（Wmax表示区间最大耗电量，μ表示衰减系统）。

依据电量计算，初步配置的整个超级电容供电系统包括100个超级电容模组，采用10串10并，分为3个箱子，其中2个箱子中含40个模组（I型箱），采用10串4并;另一个箱子中含有20个模组（II型箱），采用10串2并。

每个箱体配置一台接触器，在其中某一组发生故障时可以单独切除。3个超容箱体并联在一起，总共可以提供最大为1 222 kW、最少为765 kW的输出功率（考虑内阻影响），并且可以提供16.8 kW·h的初值电能，系统整个供电系统的基本配置见表3。

3 储能系统详细说明

3.1 储能系统容量校核

列车储能供电系统由3个超级电容箱体组成，安装于有轨电车的顶部，列车运行期间，牵引系统及辅助供电系统直接从超级电容取电，电车进站期间，由充电机对超级电容储能系统进行充电保证列车在站间的能量消耗。超级电容储能系统会将系统停止放电和停止充电信号反馈到整车控制器，保护超级电容系统。

制动时优先使用再生制动，即牵引系统将制动能量馈入超级电容箱体内。超级电容的工作范围为510～815 V，制动反馈能导致超级电容电压不应超过815 V时（紧急制动），制动反馈电流不应超过每个箱子额定充放电电流。

储能系统性能参数见表4。储能系统充放电电流校核。依据牵引仿真计算，全线路网侧电流如图4所示。

根据牵引计算结果，车辆行车过程中：最大牵引电流≤1 200 A;最大再生制动电流≤1 300 A。

（1）整车超容储能系统采用10S10P，每个I型超容箱采用10S4P，因此I型超容箱，在正常行车中，最大牵引电流≤480 A，最大再生制动电流≤520 A;II型超容箱最大牵引电流≤240 A，最大再生制动电流≤260 A。

（2）站内整车充电电流为1 500 A，I型箱充电电流为600 A;II型箱充电电流为300 A。

对比表4，可知所选车载储能装置能满足项目设计需求。

3.2 车站充电控制

当充电桩检测到车辆的电子标签，表明车辆已经进站，同时充电桩检测车辆母线电压在范围之内，上述两个条件同时具备时，充电桩给车载储能进行试充电;试充的目的是检测车载储能的状态;理想充电曲线如图5所示。

充电桩以恒定电流i对储能系统进行试充;试充时间为t。

充电桩在试充时间段取两个采样点，Ta/Tb;采集相应的累计电荷量及电压值，进行容值计算，根据容量计算公式：C=ΔQ/ΔU[其中：ΔQ=Qb-Qa=i×（Tb-Ta）]，ΔU=Ub-Ua。

可以计算整车储能系统容值，从而判断几个储能箱体在线，这样在试充结束后可以依据实际在线储能箱体的个数进行电流调整。当充电结束后，充电桩检测到车辆离开充电柜时，断开充电电路，车辆离站，整个充电过程结束。

4 结语

本文介绍的有轨电车储能系统能够很好地满足天水项目的技术需求，提供了一个较大站间距的全程无架线的储能系统解决方案。目前，车载储能式有轨电车正处于发展阶段，国内主要的车载储能介质有锂电池/超级电容，但上述两种储能方式都有一定的弊端，本文描述的储能系统在一定程度上兼顾了电量和功率两个因素，能在很好地满足牵引加速性能的同时，尽可能地延长站间距。

参 考 文 献

[1]李荣吉.现代有轨电车新型地面供电方式分析[J].中国设备工程，2019（1）：146-147.

[2]李志，王威.浅谈有轨电车新型供电技术——Tramwave地面供电系统[J].科技风，2018（1）：152，5-9.

[3]王健全，袁富卫.城市有轨电车供电方式探讨[J].电力机车与城轨车辆，2015（1）：47-51，58.

[4]吴泳江.现代有轨电车新型供电方式发展及运用现状[J].中国设备工程，2014（5）：5-9.