有轨电车超级电容的电能管理

闫春乐 简优宗



有轨电车超级电容的电能管理

闫春乐 简优宗

分析有轨电车中超级电容的电能管理，立足于实际应用的可行性和便捷性，研究系统的配置方案，给出超级电容各部分的电路拓扑和控制策略。最后依据超级电容本身的特点，分析车载电容器组的组合方式以及组合后整体耐压与容值的变化特点。

有轨电车；超级电容；电能管理

0　引言

有轨电车是一种集约化的交通方式，但庞大的系统仍然使其跻身于城市能耗大户的行列。有轨电车的网络能耗具有可预测性、可调节性以及二次节能的特征，在降低能耗方面存在着巨大潜力[1~3]。

1　系统介绍

有轨电车在启动过程中需要很大的启动电流以产生启动转矩，在制动过程中为了快速准确的停靠在规定位置，必须采用电气制动的方式。在制动过程中如果不能采用能量回馈的方式对制动能量回收，将产生极大的能源浪费，使整个车辆运行中的能源利用率极低，这在大力提倡节能环保的形势下是不允许的。

要对制动能量进行回收，就必须要有储能装置，而目前常用的蓄电池、飞轮和超级电容等储能装置中，超级电容的功率密度、效率和寿命等均处于优势地位，因此被各界广泛采用[4~6]，以下就有轨电车中超级电容的电能管理方法进行分析。

2　超级电容配置方案

2.1充电方案

在有轨电车运行过程中，将超级电容装载在列车上，利用超级电容正负极快接方式在列车靠近站台的位置引出充电端子，在每个站台都设置快速充电装置，通过 2 根电缆与超级电容引出的快接接头进行电气连接，并将超级电容与充电装置的连接状态作为反馈信号送至快速充电装置。当列车到站停稳后，工作人员将充电装置的输出电缆快接接头接至超级电容正负端子的快接接头上，充电装置检测到电气回路接通后，即开始快速充电，当超级电容组电压升到规定值或充电时间已经达到列车在该车站允许停留的时间时，充电装置自动停止输出，工作人员拔下充电装置的快接接头，列车充电完成。

2.2供电方案

超级电容组给列车动力系统供电是通过 1 个四象限变流器连接超级电容与驱动电机。在加速过程中，变流器将超级电容中储存的直流电转换为适合当前电机转速的交流电供给驱动电机，电机将电能转换为机械能，带动列车前进。当列车即将进站时，列车减速运行进入制动状态，将机械能转换为电能，电机运行处于发电机状态。此时，变流器将交流电整流为直流电送至超级电容。超级电容总体配置方案如图 1 所示。

图1　有轨电车超级电容总体配置方案

3　超级电容组的能量交换方案

3.1超级电容组的充电模式

3.1.1超级电容电气特性

超级电容的电气特性如下：

但到了人类问世、文明启门，麻烦就接踵而至了。照现在的发展趋势，地球生命的自断生路或全盘灭绝，从天文尺度看，未必不是一件指日可待的事。

超级电容中储存能量为：

其中，C 为超级电容组的等效电容；U 为电容组电压；i 为充电电流；t 为开关导通时间；W 为电能。

依据式（1）可以看出，电容两端电压的变化率与电容两端的电流成正比，即电流流入电压正端时，电容电压升高，体现为给电容充电；电流从正端流出时，电容电压降低，体现为电容放电过程。式（2）给出了在电流作用下电容两端电压的变化情况，电流越大，同样时间下电压变化越大；在同样电流下，持续时间越长，电压变化越大。由式（3）可知，电容存储能量与电容两端电压的平方成正比，为了增加储存能量，就必须提高电容两端的电压。式（4）也定量给出了电容两端电压升高时能量变化量的大小。

因此，在充电过程中，若想给超级电容储存更多的能量，一是要提供较大的充电电流，二是要维持足够长的充电时间。

3.1.2BUCK电路

目前多采用斩波降压（BUCK）电路，其拓扑结构如图 2 所示。

图2　BUCK 电路原理图

该电路电压方程如下：

BUCK 电路采用电流闭环、电压限制的方式进行控制。通过高频脉宽调制方式控制主控开关通断的占空比 D，可准确控制输出电流的大小，控制给超级电容充电的速度。其闭环控制方程如下：

BUCK 电路工作过程中能量变化如下：三相电源经二极管布控整流后输出直流电压，接入 BUCK 电路，在BUCK 电路的开关导通时，直流电压流经电感给 BUCK电容充电，同时经快速接头给超级电容供电。当 BUCK开关断开时 BUCK 电容中储存的能量释放，经快速接头供给超级电容，同时二极管起到续流作用，可避免在电感二端出现过电压。由于采用高频脉宽调制模式控制，输出电压电流谐波将会控制在很低的范围内。

3.2超级电容组的供电模式

3.2.1PWM方式

超级电容与列车驱动系统之间的电气连接要求能量能够双向流动，因此采用脉冲宽度调制（PWM）可控整流方式（图3）。在列车启动或者加速运行时超级电容的能量通过PWM整流器逆变输出三相交流电供给驱动马达。在列车减速的制动过程中电机作为发电机运行，其制动能量通过 PWM 整流器给超级电容充电，实现了能量回馈，在提高效率的同时也减小了由于机械制动增加的磨损问题。能量回馈如图 4 所示[7]。

3.2.2SVPWM方式

三相桥臂都采用可控器件，逆变时电流流经上桥全控器件和下桥的反并联二极管，整流时电流流经上桥二极管和下桥的全控器件。通过对全控器件的控制，可以控制电流的流向，目前常采用的控制方式是空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）控制。其电压方程如下：

图3　PWM 电路示意图

图4　PWM 方式能量回馈示意图

展开得：

其中，ed、eq、e0为电网侧二相旋转坐标系下 dqo 轴的电压分量；id、iq、i0为二相旋转坐标系下 dqo 轴的电流分量；vd、vq、v0为三相桥臂二相旋转坐标系下 dqo 轴的电压分量；R、L为回路等效电阻、电感；w 为交流电压角速度；p 为微分算子。

可以看出，d、q 轴分量相互耦合，给控制器设计带来困难，需要采用前馈解耦的控制策略，如果电流环用 PI 调节，则控制方程如下：

可以得到 dqo 坐标系下 PWM 整流器电流环的解耦框图如图 5 所示，该部分控制策略如图 6 所示。

图5　PWM 整流器电流内环解耦示意图

图6　能量回馈部分控制策略框图

4　超级电容组的组成方式

超级电容有着单个电容电压低、容值大的特点，一般单体电压只有几伏，容值则能达到上万法拉。有轨电车在实际运营中所用的电压较高，如广东某项目实际电压为 900V。因此，必须采用超级电容串联的方式提高其供电电压。但是电容的串联会直接导致容值成比例的下降，需采用并联的方式增大其容值，以便增大能量储存能力。

设单体超级电容的耐压值为 u0，容值为 c0，串联数量为 m，并联数量为 n，则该电容组的耐压值和容值分别为：

该电容组电容数量 R 为：

5　结语

根据有轨电车的实际需求，提出了超级电容的系统配置方案，以及充放电电路拓扑结构、控制策略。据此设计的超级电容电能管理装置在某有轨电车项目上顺利投运，验证了该方案的合理性和可行性。

[1] 朱青华，冯宪瑞. 基于超级电容原理的车载储能装置的应用分析[J]. 铁道机车车辆，2013，33（3）：90-94.

[2] 侯伟，王文涛，鄢婉娟. 超级电容组在轨实验设计与验证[J]. 电源技术，2014，38（2）：310-314.

[3] 孟彦京，张商州，陈景文，等. 充电方式对超级电容能量效率的影响[J]. 电子器件，2014，37（1）：13-16.

[4] 朱波，朴学松，杨建宇. 超级电容储能系统在轨道车辆的应用[J]. 铁道机车车辆，2014，34（2）：74-77.

[5] 杜爽，左春桂. 超级电容混合动力汽车能量存储技术发展研究[J]. 电源技术，2014，38（3）：589-595.

[6] 张莉，吴延平，李琛，等. 基于超级电容器储能系统的均压放电控制策略[J]. 电工技术学报，2014，29 （4）：329-333.

[7] 简优宗. 风力发电变流技术研究[D]. 黑龙江哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011.

Super Capacitor Energy Management in Tram

Yan Chunle, Jian Youzong

The super capacitor electric energy management of the trams are analyzed based on the practical application feasibility and convenience, the paper makes study on the confi guration scheme of the system, and provides the circuit topology and control strategy of all parts of the super capacitor. In its fi nal part, the paper analyzes the confi guration structure scheme of tram capacitor group and characteristics of the overall pressure and the change of capacitance value after the confi guration based on the characteristics of the super capacitor. Keywords: tram, super capacitor, energy management

U264

闫春乐：国电南瑞科技股份有限公司，助理工程师，江苏南京 211060

2015-09-30责任编辑 凌晨