聶晶鑫，郭育華，夏猛
0引言
隨著石化資源的日益減少，環(huán)境和能源危機(jī)越來(lái)越威脅到人類(lèi)未來(lái)的生存發(fā)展，節(jié)能減排的重要性逐漸得到了全世界的關(guān)注。隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)調(diào)速和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。
變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，即再生制動(dòng)，使得一部分能量能夠回饋給電網(wǎng)，從而節(jié)約能源。目前的電力牽引系統(tǒng)廣泛使用該電制動(dòng)方式，既回收了部分機(jī)械能，又減少了機(jī)械制動(dòng)的損耗，減少了維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。但是以目前的牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如果同段線路上沒(méi)有列車(chē)消耗再生電能，牽引網(wǎng)電壓則會(huì)上升，可能影響供電系統(tǒng)安全運(yùn)行，目前的解決辦法是用電阻消耗多余電能，以維持電壓穩(wěn)定。在地鐵隧道中該方式會(huì)造成隧道內(nèi)溫度升高，而且不能有效利用回收能量。因此，可以在地鐵直流供電系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，它在再生制動(dòng)時(shí)吸收能量，避免浪費(fèi);在啟動(dòng)或加速時(shí)提供部分功率支持，減少牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)[1，2]。
本文研究了超級(jí)電容的充放電特性和城市軌道交通的運(yùn)行特點(diǎn)，選擇超級(jí)電容作為儲(chǔ)能介質(zhì)，搭建軌道交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，分析雙向直流變換器的工作過(guò)程，采用牽引直流側(cè)電壓作為能量控制策略依據(jù)，使超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)電壓起到穩(wěn)定作用。
1超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置及策略
城市軌道車(chē)輛在再生制動(dòng)時(shí)，牽引直流側(cè)電壓升高，在啟動(dòng)和加速時(shí)牽引直流側(cè)電壓降低，通過(guò)控制并接在直流側(cè)的雙向DC/DC變換器，對(duì)超級(jí)電容充電放電，可以實(shí)現(xiàn)削峰平谷、平衡直流側(cè)電壓和能量回收再利用的作用。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
2超級(jí)電容
超級(jí)電容的特點(diǎn)有：循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)50萬(wàn)次以上;功率密度大，約是鉛酸電池的20倍，短時(shí)間大功率充放電能力強(qiáng);充放電速度快，效率高，充放電周期損耗小于10%[3]。而城市軌道交通的特點(diǎn)是區(qū)間運(yùn)行時(shí)間短，啟停頻繁，短時(shí)間電壓尖峰明顯。所以超級(jí)電容的特性恰好(或正好)滿足城市軌道交通儲(chǔ)能的需求，比其他儲(chǔ)能方式具有更好的性能匹配和更高的性?xún)r(jià)比。
4控制策略
控制主要目的是減小電壓波動(dòng)，同時(shí)還要限制充放電電流，避免過(guò)大電流損壞器件。另一方面要將電池儲(chǔ)能量控制在一個(gè)合理狀態(tài)，既能提供一定功率輸出，也要留有一定的吸收能量空間。如果再生能量過(guò)多而無(wú)法吸收，還要投入耗能電阻輔助消耗電能。
直流母線側(cè)電流I的變化能引起直流母線側(cè)電壓V的變化，通過(guò)測(cè)量直流側(cè)電容電壓可以間接獲得負(fù)載功率的變化，因此將直流側(cè)電壓作為充放電控制策略的判斷依據(jù)。設(shè)定當(dāng)直流側(cè)電壓小于V1 時(shí)，牽引功率為正，列車(chē)正在啟動(dòng)或加速，需要能量支持，超級(jí)電容器釋放能量，以保證直流母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)直流側(cè)電壓大于V4時(shí)，牽引功率為負(fù)，有制動(dòng)能量產(chǎn)生，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)從直流側(cè)吸收能量，以保證直流母線電壓穩(wěn)定。見(jiàn)圖5所示。
5結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置用于城市軌道交通系統(tǒng)中，可以使再生能量循環(huán)利用，并且保持直流電壓穩(wěn)定。詳細(xì)說(shuō)明了儲(chǔ)能裝置的工作原理，以及控制策略。
隨著超級(jí)電容產(chǎn)品的日益成熟，生產(chǎn)成本隨之下降，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置裝備在城市軌道系統(tǒng)中的性?xún)r(jià)比也開(kāi)始凸現(xiàn)。加之對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的提高，這一裝置會(huì)很快應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳朗.超級(jí)電容在軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城市快軌交通，2008，(6)：76-79.
[2]何曉光，張逸成.軌道交通超級(jí)電容能力回收控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2009，(5)：73-75.
[3]Cegnar E J，Hess H L，Johnson B K. A purely ultra - capacitor energy storage system hybrid electric vehicles utilizing a based DC-DC boost converter. Applied Power Electronics Conference and Exposition，2004. Nineteenth Annual IEEE，2004，2: 1 160-1 164.
[4]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
延伸閱讀：
石墨烯突破口來(lái)了?和軌道交通與超級(jí)電容有啥關(guān)系?
原標(biāo)題:超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置在城市軌道交通中的應(yīng)用
