基于城轨超级电容储能系统

伍雨彬 蔡苗苗

摘要：超级电容被广泛应用于交通运偷、工业、新能源及装备等其他领域，随着新能源的大力发展，在城轨领域，轨道交通环保、节能的优点已越来越受到重视，大力发展轨道公共交通已成为世界各国的共识。超级电容与二次电池相比具有循环寿命长、充放电为物理变化、对环境无污染、功率密度高、SOC检测容易等优点，超级电容将成为未来轨道交通领域中储能元件的一个重要选择。

关键词：轨道交通;超级电容;储能系统

1 引言

在城轨交通运营中，现代城轨列车普遍采用再生制动的方式将能量回馈到接触网，而这些能量除了被直流电网吸收和按一定比例被其他相邻列车吸收利用外，剩余能量主要被车辆的制动电阻以发热的方式消耗点或被线路上的装置吸收，在城轨交通中，采用超级电容储能装置对城轨交通供电系统进行抑制网压波动和回收制动能量，大大提高了城轨系统能量利用率，实现节能环保，促进可持续发展。

2 超级电容

超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量，其容量比通常的电容器大得多。

超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。所有超级电容器的共性是，他们都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。

3 城轨超级电容储能系统

超级电容是容值可达数千法拉的电容器，其充放电过程无能量转换，只涉及电能交换，效率很高，循环寿命长。城轨超级电容储能型再生制动能量吸收方式可分为车载式和地面式2种，为了维护方便，地面式储能系统通常安装在牵引变电所。由于接触网存在阻抗，在列车牵引运行时会造成接触网线路损耗，而车载式储能系统安装在车上，存储制动能量无需经过接触网，避免了接触网线路损耗。车载储能装置容量配置仅需考虑列车自身制动功率和能量，而地面式储能装置需要综合考虑发车密度、供电区间长度等因素，容量配置较为困难。

4 含车载超级电容的城轨列车运行系统

含车载超级电容的城轨列车运行系统分牵引制动系统和超级电容储能系统两部分。超级电容储能系统与列车的牵引制动系统并联连接，并独立控制。超级电容储能系统由双向DC/DC变换器和超级电容器组两部分组成。当列车牵引/制动时，超级电容储能系统释放/吸收系统能量。该系统中包括I₁电网电流，I_d为列车所需要的电流，I_s为储能系统的输出电流。则满足：I_d=I₁+I_s。

双向DC/DC变换器可分为隔离式和非隔离式两种。非隔离式器件少、效率高、控制简单，而且，非隔离式双向DC/DC变换器可实现双象限运行，即变换器两端电压方向不变，但电流方向可以改变，在功能上相当于Boost变换器和Buck变换器的组合。这些特点非常符合车载超级电容储能系统的工作特点，故选择非隔离式变换器。非隔离式储能装置结构图储能装置的工作状态有3种：充电状态、放电状态和保持状态。用PWM方式控制开关管的T₁、T₂导通与关断。当开关管T₁导通T₂关断时，T2反并联二极管续流，双向DC-DC变换器工作在Buck电路状態，即储能装置工作在充电状态;当开关管T₂导通T₁关断时，T₁反并联二极管续流，双向DC-DC变换器工作在Boost电路状态，即储能装置工作在放电状态;当开关管T₁和T₂都处于关断状态时，双向DC-DC变换器停止工作，储能装置处于备用保持状态。储能装置连续不断地在上面三种状态之间切换，避免了直流电网电压的大范围波动，起到了节能和稳压的作用。

4.1 超级电容储能系统方案设计步骤

超级电容储能系统由直流电源BMS主控制器、BMS子控制器、传感器、执行器和多个超级电容组构成。方案需要完成的内容有：编写输入输出对照表，绘制功能流程图，用编程软件在电脑上进行软件仿真，在实验室与电脑相连，进行系统仿真，调试，观察按键，制动按钮等功能是否得以实现，根据实际情况进行调试，直到系统完全正常为止。

5 结束语

随着科学技术的猛速发展，我国在铁路机车制造业基础上，通过技术引进、消化吸收、自主创新，在新型供电制式与车载储能技术等关键领域取得突破，形成了目前的新型储能式轨道车辆。本文针对列车制动过程中电阻吸收制动能量的缺点，引入超级电容储能装置。该装置将电容组存储制动时产生的能量供列车加速使用，这样不仅节约能源、减少污染，还能改善电网供电品质。将超级电容储能系统应用到城市交通车辆上，这对节能和环保具有重要意义。

参考文献

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