全線無網(wǎng)有軌電車儲能系統(tǒng)設(shè)計方案

王莉 吳金賢

摘 要：現(xiàn)代有軌電車使用純電力驅(qū)動，其具有便捷、環(huán)保、舒適、高效的特征，是目前廣受歡迎的新型城市軌道交通產(chǎn)品。但由于供電的架空網(wǎng)在一些特定的環(huán)境或區(qū)段， 給景觀帶來不良影響，給線路規(guī)劃帶來一定的困難。隨著新型儲能技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)全線無觸網(wǎng)低地板有軌電車，是適應(yīng)目前市場迫切需求的技術(shù)研發(fā)方向。該文將介紹基于超級電容的全線無網(wǎng)有軌電車儲能系統(tǒng)設(shè)計方案，并通過牽引計算和實車安裝試驗，驗證了該方案的可行性及先進性。

關(guān)鍵詞：全線無網(wǎng)；儲能；低地板有軌電車；超級電容

中圖分類號：U23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

為了解決城鐵車輛無觸網(wǎng)運行應(yīng)用的技術(shù)問題，該文將介紹采用超級電容供電方式的100 %低地板鋼輪鋼軌現(xiàn)代有軌電車的儲能系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了全線無網(wǎng)、由高能效超級電容供電的跨站充電模式，最終通過實際裝車驗證，成功實現(xiàn)了以超級電容為儲能系統(tǒng)的全線無網(wǎng)有軌電車應(yīng)用。

1 車輛主要技術(shù)參數(shù)

100 %低地板有軌電車車輛的基本配置為5輛車編組，整列車采用2動1拖2懸浮的動力編組型式。

1.1 線路條件

車輛將滿足以下各條的規(guī)定：

最小平面曲線半徑

正線（區(qū)間） 20 m

車場線20 m

最小豎曲線半徑350 m

最大坡度60 ‰

1.2 供電條件

正線和車輛段均采用車載超級電容方式供電，在車站和車輛基地內(nèi)設(shè)置充電裝置為超級電容充電。

1.3 列車動力性能

1.3.1 列車基本動力性能要求

在AW2載荷和車輪半磨耗狀態(tài)及干燥、清潔、平直的軌道和額定電壓下，列車牽引性能由下列參數(shù)確定：

列車最高持續(xù)運行速度70 km/h

列車設(shè)計結(jié)構(gòu)速度≥80 km/h

啟動加速度（0～40 km/h）≥1.0 m/s2

平均加速度（0～70 km/h）≥0.7 m/s2

1.3.2 列車電制動性能要求

在AW2載荷和車輪半磨耗狀態(tài)及干燥、清潔、平直的軌道和額定電壓下，列車制動性能由下列參數(shù)確定：

常用制動最大等效減速度（80 km/h～0）≥1.2 m/s2

常用制動平均沖動極限≤1.5 m/s3

2 牽引系統(tǒng)技術(shù)方案

列車牽引傳動系統(tǒng)采用VVVF逆變器-異步牽引電機構(gòu)成的交流電傳動系統(tǒng)。

列車電制動采用再生制動，制動能量反饋回超級電容。制動時優(yōu)先使用電制動（再生制動），電制動力不足部分由液壓制動補充。

列車牽引系統(tǒng)主電路采用電壓型直交逆變電路。超級電容提供的直流電由VVVF逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相電源向異步牽引電動機供電。VVVF逆變器擁有2個逆變模塊單元，每個逆變器模塊驅(qū)動1臺牽引電動機工作。當(dāng)超級電容電壓在616 V～820 V變化時，牽引系統(tǒng)能正常工作，并方便地實現(xiàn)牽引和制動的轉(zhuǎn)換。

3 儲能系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 超級電容器

根據(jù)該文第2章車輛參數(shù)要求，考慮采用能量型超級電容器。

超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件，具有很高的功率密度，適合用作短時間功率輸出源。具有比功率高、比能量大、一次儲能多等優(yōu)點，亦可平滑動力電池充放電電流，延長動力電池的使用壽命。這種特性決定了其能吸收電制動反饋能量，達(dá)到節(jié)約能源的效果。

該項目超級電容器采用了特殊關(guān)鍵原材料，優(yōu)異的電極制作工藝、先進的測試化成工藝，為能量型超級電容器。能量型超級電容器作為超級電容器領(lǐng)域中的一種新體系，以采用新型先進材料技術(shù)為基礎(chǔ)，通過電化學(xué)混合電極材料，在一個電解池中實現(xiàn)了鋰離子電池和超級電容器的原理和技術(shù)的結(jié)合，使其在保持超級電容器高比功率、長壽命和快速充電特性的同時，大幅度提高了比能量，而且線性的充放電特性不能變，即：E=1/2C×V2不變。

3.2 I型超級電容箱的性能參數(shù)

I型超級電容箱參數(shù)見表1。

3.3 II型超級電容箱的性能參數(shù)

II型超級電容箱參數(shù)見表2。

3.4 能量計算

3.4.1 總體計算

對于全線無觸網(wǎng)軌道交通超級電容儲能系統(tǒng)制動回收反饋能量方面，可以進行如下模擬計算。

該系統(tǒng)由I型超級電容箱和II型超級電容箱各2套組成。系統(tǒng)能夠接受持續(xù)20 s的最大回收電流為I=2×（560+840）=2800A。

系統(tǒng)總?cè)萘緾總=2（C1+C2）=2（256+389）=1290F

以80 %SOC最大回收起始狀態(tài)計算，此時電壓為U1=783 V，此時可回收功率為Pmax=U1×I=783×2800=2192.4 kW，此時回收20 s能量為E=Pmax×20s/3600=12.18 kWh。

以0 %SOC計算，此時電壓為U2=616 V

此時可回收功率為Pmin=U2×I=616×2800=1724.8 kW，此時回收20 s能量為E=Pmin×20s/3600=9.58 kWh

根據(jù)上述計算結(jié)果，理論上該套系統(tǒng)可實現(xiàn)20 s制動回收9.58 kWh～12.18 kWh的能量。

3.4.2 儲能總能量和工作能量

整車超級電容儲能系統(tǒng)由2套I型超級電容箱和2套II型超級電容箱組成。整車超級電容儲能系統(tǒng)儲能總電量為47.6 kWh，實際可工作總電量為47.6 kWh。

3.4.3 可用電量計算

整車超級電容儲能系統(tǒng)可用電量：

E=2E1+2E2=52.7 kWh

以上計算為理論計算，實際輸出能量受內(nèi)阻的影響，根據(jù)單體100 A充放電測試，每個單體實際放出22 Wh，整車儲能系統(tǒng)總成的電容數(shù)量為2 160個，共計實際儲能47.6 kWh。

4 牽引系統(tǒng)再生制動全功率吸收

100 %低地板儲能有軌電車進行制動時，優(yōu)先使用牽引系統(tǒng)的電制動，牽引電機會產(chǎn)生再生制動能量，而這部分能量會通過IGBT續(xù)流二極管反饋到主電路上，供超級電容吸收。參照3.2和3.3所述，給一個牽引逆變器供電的I型和II型超級電容標(biāo)準(zhǔn)充電電流分別為280 A和420 A，總共700 A，最大充電電流分別為560 A（20 s）和840 A（20 s），全列4個箱體總計最大電流2 800 A（20 s）。根據(jù)牽引計算，制動狀態(tài)下最大制動電流不超過1 600 A，因此，超級電容完全能夠吸收牽引電機再生制動產(chǎn)生的能量。

制動系統(tǒng)的能量能夠全功率吸收，一方面為儲能系統(tǒng)增加了額外能量，另一方面也省去了制動電阻，減小閘瓦磨耗，真正實現(xiàn)了綠色節(jié)能環(huán)保。

5 牽引計算

在DC750V及AW2載荷情況下，每臺電機對應(yīng)的最大牽引轉(zhuǎn)矩約為964.6 N·m，此時列車最大黏著系數(shù)為0.174，電機最大牽引功率179.5 kW，列車在最高時速80 km/h時，電機最大轉(zhuǎn)速為4 738.8 r/min，整車超級電容電流可達(dá)1 050.5 A（考慮變流器效率98 %）。

在DC825V及AW2載荷情況下，每臺電機對應(yīng)的最大制動轉(zhuǎn)矩約為964.7 N·m，此時列車最大黏著系數(shù)為0.183，電機最大制動功率290.2 kW，列車在最高運行時速80 km/h時，電機最大轉(zhuǎn)速為4 738.8 r/min，整車超級電容電流可達(dá)1 282.6 A（考慮變流器效率98 %）。

由于整車超級電容箱額定電流為1 400 A，最大為2 800 A（20 s），大于車輛在牽引和制動工況下的最大電流值。因此目前超級電容配置能夠滿足牽引和電制動需求，且能夠?qū)崿F(xiàn)100 %吸收電制動能量。

6 試驗驗證

上述牽引系統(tǒng)及超級電容技術(shù)方案已形成實際產(chǎn)品，目前車輛已完成了各項型式試驗，經(jīng)驗證，牽引系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)的設(shè)計方案能夠滿足車輛參數(shù)要求。

7 結(jié)語

通過對全線無網(wǎng)有軌電車儲能系統(tǒng)的研究，突破車輛儲能、大電流充電技術(shù)及容量管理系統(tǒng)開發(fā)，滿足國內(nèi)外有軌電車全線無網(wǎng)運行的技術(shù)需求，提高國內(nèi)有軌電車研制領(lǐng)域的技術(shù)水平，推動我國有軌電車行業(yè)的發(fā)展。

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