基于超级电容的地铁列车再生制动能量利用分析

张 一 成建国 吴松荣 郭世明 陈 静

(1.深圳市地铁集团有限公司,518000,深圳; 2.西南交通大学电气工程学院,610031,成都∥第一作者，工程师)



基于超级电容的地铁列车再生制动能量利用分析

张 一1成建国1吴松荣2郭世明2陈 静2

(1.深圳市地铁集团有限公司,518000,深圳; 2.西南交通大学电气工程学院,610031,成都∥第一作者，工程师)

为吸收地铁列车再生制动能量,对比了多种能量回收技术。研究一种基于非隔离双向DC/DC变换器的超级电容储能装置,分析了其工作原理和结构特点。在列车制动时,储能装置吸收制动能量,列车加速时释放能量,减少了能源浪费。根据地铁运行工况,分析了储能装置容量配置及能量管理控制策略。通过仿真验证了方案的可行性。

地铁列车； 再生制动; 储能装置; 超级电容

First-author′s address Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.,518000,Shenzhen,China

城市轨道交通制动能量再生利用技术现已得到重视。电力牵引传动系统电制动时，牵引电机由电动机状态转变为发电机状态,列车的动能转化为电能回馈到直流牵引网,既回收了部分动能,又减少了摩擦制动的损耗。在列车起动、制动频繁的场合,可回收的再生制动能量相当可观[1-2]。通常地铁列车再生制动能量占牵引能量的20%～40%。这部分能量中的20%～80%会被吸收利用,而剩余能量则由列车的制动电阻热消耗掉[3]。在大运量、高密度的运行条件下,电阻制动会在地铁隧道内产生大量热量,使得隧道温度升高,加大了空调和通风系统的负担。

针对常规电阻制动的能源浪费问题,本文对比研究了再生制动能量利用方式,阐述了其优缺点。根据某地铁线路运营时刻表和线路参数,研究了基于超级电容器的储能方式和相应的双向变换器控制策略。该方案实现了再生制动能量的合理利用,并且稳定了直流牵引网压。

1 再生制动能量回收技术

目前,地铁再生制动能量的使用方式主要包括电阻消耗型、逆变回馈型以及储能型等。其中，电阻消耗型不仅不能利用电能,而且会造成环境温度上升,增加通风散热负担。因此,本文仅对比研究逆变回馈型和储能型两种方式。

1.1 逆变回馈型

逆变回馈型再生制动能量吸收装置采用晶闸管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等电力电子器件构成三相逆变器,将再生制动能量逆变至变电所负载侧或者电网侧。图1为逆变回馈型再生制动能量吸收方式原理图。从成本及安全性考虑,早期多采用晶闸管。由于该方式将再生制动能量回馈到电网时要考虑电压、频率、相位、谐波等问题,还要考虑并网政策等因素,因此，仅在日本札幌地铁、韩国釜山地铁等有少量应用。这种方式具有明显的缺点:需要变比大的变压器和较大的电抗器,会对电网电压、电流产生畸变影响。

图1 逆变回馈型再生制动能量吸收方式原理图

文献[4-5]提出了采用IGBT器件的PWM(脉冲宽度调制)逆变回馈方式。IGBT器件开关频率高、回馈电能的谐波含量小,因此，所需要的电抗器容量远小于晶闸管方案。目前,在地铁变电所供电变换装置中采用的二极管不可控整流对电网存在严重的电流谐波污染。当牵引供电网有剩余能量时,逆变回馈装置向交流供电网反馈能量。如牵引供电网没有剩余能量，则逆变回馈装置工作于有源滤波(Active power filter,简为APF)模式,可有效改善交流供电网的电能质量,也可提高该装置的利用率。此技术已经在南非铁路上得到应用,并由天津地铁3号线首次引入国内。为适用于大功率场合,PWM逆变器多采用多电平结构,其存在主电路结构复杂,且自耦变压器等装置占地空间大、控制复杂。

文献[6]提出将变电所中二极管整流器替换为PWM整流器。这样,PWM整流器可在制动时作为逆变器使用,无需额外的再生制动吸收装置,并且减小了钢轨沿线的迷流。东京地铁Tsukuba Express已经应用该项技术。但是该项技术涉及到线路的改造,初期投入成本较大,国内仅仅处于研究阶段。

1.2 储能型

利用储能装置来吸收剩余的再生制动能量,可有效抑制牵引网直流电压升高。储能装置在地铁列车加速时释放能量,不仅使再生制动能量得到有效利用,还可防止牵引网直流电压跌落。

根据储能装置安装位置的不同,储能式再生制动能量吸收方案分为车载式储能方式和地面式储能方式两种。车载式储能方式以庞巴迪公司Mitrac储能系统为典型代表,将超级电容器储能装置安装在轻轨车或者地铁列车顶部,节能可高达30%。地面式储能方式以西门子公司的SITRAS SES型静止式储能系统为典型代表,将储能装置安装在牵引变电所内。美国波特兰轻轨采用了这一方式。储能型再生制动能量利用方式可避免逆变回馈方式对电网的冲击、谐波污染等问题。

目前,超级电容作为储能元件备受关注,其具有功率密度高、循环充放电次数高、使用寿命长等显著优点,但也存在成本高、装置体积大等不足。国内有多家超级电容制造厂商(如北京合众汇能,锦州富辰公司，北京集星公司，上海奥威公司等)。超级电容成本正在逐渐下降,具有良好的应用前景。

以超级电容储能器构成的车载式储能系统示意图如图2所示。车载储能系统安装在车体内部,将超级电容储能系统通过双向DC/DC变换器并联在受电弓与牵引逆变器之间(如图3所示)。车载超级电容储能系统与直交传动系统并联连接,其控制相互独立。

注：Iv为直交传动系统所需电流,Il为直流牵引网提供电流,Is为储能系统提供电流；VVVF为牵引逆变器；M为牵引电机

图2 车载储能系统示意图

相对于车载储能方式,地面储能方式存在以下问题:①列车制动产生的制动电流通路较远,牵引网电压下降较大,当能量传输到地面储能装置时,线路电压可能小于储能充电阈值电压,使得地面储能装置没有进入能量吸收状态。②由于能量回馈电流的通路远,流经牵引网的线路损耗大于车载储能系统。

车载储能方式制动电流通路几乎为零,不仅可规避地面储能方式存在的问题,还具有下述优势:①储能装置可安装在车顶,具有天然的通风散热条件;②地铁列车加速时,储能系统提供部分能量,降低了牵引网线电流,从而降低了线路压降,可以增加变电所间距;③储能装置可提供短时间能量,实现短时无接触网运行[7]。

表1为车载储能、地面储能及逆变回馈三种方式的性能比较。综合比较各种性能指标可见,车载储能方式是一种较为合理的再生制动能量回收方案。本文拟对此方案开展研究。

表1 再生制动能量回收方案比较

2 基于超级电容的车载储能系统结构与特点

超级电容器是20世纪60年代发展起来的一种新型储能元件,是一种基于新材料和新工艺、具有很大电容密度的电容器。超级电容在储能过程中不发生化学反应,具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长等优异特性,是一种比较理想的储能器件[8]。

利用双向DC/DC变换器和超级电容储能模块构成的再生制动能量吸收装置电路原理如图3所示。储能装置在列车制动运行时吸收能量,在列车牵引运行时释放能量。储能装置的主要作用是存储能量和稳定线网电压。当列车的再生制动能量没被邻近的车辆吸收时,储能装置的电压传感器可实时监测电压变化。当电压增大到装置预设的电压时,开关管S1动作、S2关断,双向DC/DC变换器工作于Buck模式。此时，制动能量流向超级电容器组,牵引网电压降低。当电网电压降低到预设电压时,开关管S2动作、S1关断,双向DC/DC变换器工作于Boost模式。此时，超级电容组能量流向牵引网,牵引网电压升高。储能装置在Buck模式和Boost模式之间的切换,既保证了再生制动能量被吸收,又能使电压稳定在设定范围内。

为了减小电流纹波和二极管反向恢复电流,采用三相双向DC/DC变换器并联结构,同时采取交错控制方式(如图4所示)。三相双向变换器中的每个单元负担1/3负载电流。由于交错移相控制器将载波分别移相2π/3,开关管S1、S3、S5的控制信号分别相差2π/3相位而同一桥臂开关管(比如S1和S2)互补导通。这样,双向DC/DC变换器可获得较小的电流与电压纹波。

图3 车载超级电容装置电路原理图

图4 双向变换器拓扑结构

3 车载超级电容储能系统容量配置及仿真结果

3.1 制动能量仿真计算

地铁列车在运行中,受到阻力包括基本阻力和附加阻力。为了简化分析,基本阻力采用经验公式:

fw= 516n+M(0.006 374+0.000 329 1v)+

11.187v2

(1)

式中:

fw——基本阻力，kN;

n——列车编组数;

M——列车质量,t;

v——列车运行速度,km/h。

附加阻力包括坡道附加阻力f1(kN)和曲线附加阻力f2(kN)。其中

(2)

式中:

i——线路坡度,‰;

g——重力加速度,取9.8 m/s2。

(3)

式中:

R——曲线半径,m。

根据地铁A型车车辆参数及编组方式(4动2拖),列车额定功率为4×4×190 kVA、列车传动比为6.6875、车轮直径为840 mm,空载(AW0)时列车质量为214 t;轻载(AW1)时列车质量为230 t;满载(AW2)时列车质量为320 t;超载(AW3)时列车质量为360 t。

以深圳某地铁线路为依据,牵引网电压等级为1 500 V(波动范围为1 000 V～1 800 V),曲线半径R=450 m,坡度i=1.2‰。利用Matlab/Simulink搭建地铁列车仿真系统，针对不同载员(AW1、AW2、AW3)、不同制动初速度的工况进行仿真计算。为了简化仿真,假设列车起动和制动时，牵引电机采用恒转矩方式运行,牵引加速度为1.0 m/s2,制动加速度为1.2 m/s2。图5为不采用储能装置时,制动初速度为60 km/h,在AW2工况下的牵引网电压和牵引网功率的仿真波形。由图5可知,列车在AW2工况起动时,牵引网电压跌落至1 300 V,最大起动功率为4.8 MW;制动时牵引网电压迅速上升至1 800 V,制动电阻开始工作,列车馈送到牵引网的最大制动功率为5.9 MW,其最大制动功率约为最大起动功率的1.2倍,与加速度的设定基本一致。根据图5的仿真计算结果,可计算出列车牵引能耗及再生制动能量。

按照相同方式可以求得在不同制动初速度、不同载员情况下的列车能耗及制动能量(如表2所示)。由表2可知，在制动初速度为80 km/h、AW3情况下,制动能量最大,理论最大可回收制动能量为22.2 kWh。

图5 不采用储能装置时牵引网电压和功率波形

工况制动初速度/(km/h)牵引能耗/kWh制动能量/kWhAW1609.17.87012.710.98016.413.6AW26012.711.27017.515.78022.619.8AW36014.112.67020.217.38026.822.2

3.2 储能装置容量配置与仿真分析

根据车辆制动能量仿真分析计算结果,不考虑发车密度,列车制动时产生的能量完全由车载储能装置吸收。根据深圳地铁某线路参数可知,列车制动初速度一般不超过60 km/h。因此,本文以制动初速度60 km/h,AW2工况为依据对储能装置进行容量配置。

选用某型超级电容器，其单体容值为3 500 F,单体额定电压为2.7 V,持续电流为600 A,最大电流为1 240 A。在放电深度为50%的情况下,其单体储能容量为Ec=1/2×CU2×75%=9 568(J)。

根据能量约束法,超级电容串并联个数为n×m>11.2×3.6×106/9 568=4 215。为了减小IGBT电流应力,超级电容组最高端电压设计为1 400 V,最低端电压为700 V。考虑裕量,串联数n=550,并联数m=9。因此,共需要519×9=4 671个超级电容,其电容约为55 F。

在AW2、制动初速度为60 km/h、制动加速度取1.2m/s2工况下,对采用超级电容储能装置后的牵引网电压和牵引网功率进行仿真分析,得到仿真波形图(见图6)。超级电容初始电压设置为1 200 V。由图6可知,列车起动时,网压跌落至1 400 V,牵引网最大起动功率为3.2 MW;列车制动时,最高网压为1 760 V。与图5相比,牵引时由于车载储能装置提供能量,故牵引网最大起动功率降低1.6 MW；制动时，由于车载储能装置吸收能量，故列车馈送到牵引网的最大制动功率降低到0.6 MW。牵引与制动时网压波动情况得到明显改善。

图7为超级电容端电压、功率以及储能变化波形。列车牵引运行时,超级电容释放能量；当端电压由1 200 V下降至700 V时,超级电容不再放电,且超级电容的最大提供功率为3.3 MW,完全释放能量7.26 kWh。列车制动时,超级电容吸收能量；当端电压由700 V上升至1 255 V时,超级电容最大吸收功率为4.5 MW,吸收能量为8.29 kWh,约为制动能量的74%。

图6 采用储能装置时牵引网电压和功率波形

4 储能管理及其控制技术

为保证车载超级电容储能装置在制动和牵引工况下均合理吸收和释放制动能量,以达到节能和稳定牵引网电压的目的。基于图4三相交错并联双向DC/DC变换器主电路拓扑,采用图8所示的变换器控制策略。图8中,控制环路由电压外环和电流内环构成,电压外环产生电流内环参考信号iref,产生三相双向DC/DC变换器开关管移相交错控制信号PWM1、PWM2、PWM3。双向DC/DC变换器的工作状态由牵引网电压Udc按照以下判断逻辑确定：

图7 超级电容电的压、电流、储能变化波形

图8 变换器控制策略框图

超级电容容充电时，如超级电容的电压Usc达到其最大限定电压Usc，max,则超级电容不能继续充电。但为了延长超级电容寿命,不能立即切断电流。同理可分析，超级电容放电时，Usc达到其最小限定电压Usc，min的情况。因此应采用限压稳流措施。由图8可见，超级电容电流被限制在区间[imin,imax]。当检测到Usc接近Usc，max时,超级电容充电电流imax由控制器PI产生。当超级电容电压远离Usc_max时,控制器PI不起作用,imax由用户给定；此时的最大充电电流由超级电容额定充电电流确定。同理，可以分析超级电容放电时的低电压保护情况。

5 结语

针对地铁列车再生制动能量回收问题,对比了多种能量回收技术,特别分析了基于非隔离双向变换器的超级电容储能装置结构。根据地铁运营工况,确定了车载超级电容储能装置容量配置参数,提出了双向变换器的限压稳流控制策略。仿真结果表明,车载超级电容储能装置可有效利用列车制动能量的74 %,并且能稳定直流牵引网压。

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Analysis of Regenerating Energy Utilization Based on Metro Vehicle Super Capacitor

ZHANG Yi, CHENG Jianguo, WU Songrong, GUO Shiming, CHEN Jing

In order to absorb the regenerative braking energy of metro train, some energy recovery technologies are compared. A super capacitor storage device based on non-isolated bi-directional DC/DC converter is researched, the structural characteristics and the operation principle of which are analyzed. When the train takes a brake, the storage device will absorb the energy and release it when the train starts to accelerate, and consequently the energy waste is cut down. According to the metro operation conditions, the configuration for storage device capacity and the energy management control strategy are analyzed. Finally, the feasibility of this scheme is validated through simulation.

metro vehicle; regenerative braking; storage device; super capacitor

*广东省省部产学研结合项目(2012B090500022)

U 270.35

10.16037/j.1007-869x.2016.09.013

2015-08-31)