1、超 级 电 容 储能 装 置 在 城市 轨 道 交 通中 的 应用研究 张媛 山 西 工程 技 术学 院 摘 要： 列车在加速运动的情况下, 因线路自身存在的阻抗问题, 会造成直流电网电压 下降, 引起再生能量直接反馈到直流电网中, 导致电压不断上升。 因此采用何种 有效措施来回收再生能量, 提高再生能量的使用效率, 是当前急需解决的主要 问题。 本文主要对 超级电容储能装置在城市轨道交通中的应用进行了分析, 以供 参考完善。 关键词 ： 超级电容储能装置; 城市轨道交通; 应用; 作 者简 介： 张媛 (1989-) , 女, 硕士研究生, 助教, 研究方向为电气自动化。 电能作为城市轨道交
2、通的重要能源, 对列车行驶具有重要作用。 但是由于电能自 身具有即发即用的特性, 阻碍了城市轨道交 通的发展。 而超级电容储能装置的出 现, 因其自身具有的高效性与实用性, 应用到在城市轨道交通中, 能有效解决 能源不足的问题, 节约能量的消耗, 对提高列车运行效率具有重要意义。 一、超级电容储能装置的概述 在我国城市轨道交通中, 对于电能储存方面, 较为常见的储存方式主要有蓄电 池、飞轮以及超级电容等 3 种类型。 其中蓄电池的使用中, 较为常见的是铅酸电池, 使用期限为3 年, 能量密度为 70.7kw/hm, 功率密度为 106km/m-3, 效率为 92%。 高速飞轮的使用期限为 20
3、 年, 能量密度为 424kw/hm-3, 功率密度为 1766.8km m-3, 效率为 89%。而超级电容的使用期限为 20 年, 能量密度为53kw/hm-3, 功 率密度为176700km/m-3, 效率为94%。 从3 种存储方式来看, 在功率密度、 效率与使用期限上都有自身的优点, 但是超 级电容器储能装置的应用除了具备以上优势外, 还能节约能量的消耗, 将消耗 在制动电阻中的能量回收利用到地铁空调与照明中, 提高再生能源的使用率。 且可有效降低线电流的波动, 控制直流母线上的能源消耗, 解决隧道和站内温度 上升的问题, 从而保证线路电压的稳定性1 。 二、超级电容储能装置在城市轨
4、道交通中的应用 ( 一) 装置 主电路 在城市轨道交通中应用超级电容储能装置, 依据装置功能的设计, 可将其划分 为以下模块来运行: 电动隔离开关的设计, 主要是在维护相应的交通设备时, 可 通过直流 牵引网 隔离系 统;充电 时, 可 关闭预 充电接触 器, 为 滤波装 置提供电 能, 防止充电冲击电流过大损坏交通运行设备, 然后合上线路接触器, 完成储能装 置投入准备工作, 一旦牵引网发生瞬变电压时, 既可保护储能装置。 此外, 考虑 到超级电容储能装置的升压与降压的功能, 应采用非隔离式双向 DC-DC 变换器作为斩波器, 通过变流支路来调节控制能量的总量与流向, 一旦 电容器组容量无法
5、吸收制动能量时投入工作消耗剩余能量, 便可利用电流与电 压传感器来控制、检测所需要的电流、电压信号, 进行充、放电2 。 a2 使用后的牵引网电压波形 下载原图 b2 使用后的牵引电流波形 下载原图 b1 未使用前的牵引电流波形 下载原图 ( 二) 双向 DC-DC 变换器 的应 用 非隔离式双向DC-DC 变换器在功能使用上, 如同Boost 变换器与Buck 变换器的 组合, 这样列车在加速行驶的过程中, 超级电容便会对 DC-DC 变换器进行放电, 避免牵引网电压跌落。 如果列车处在惰性运行状态时, 超级电容储能装置与双向 DC-DC 变换器会设定为备用保护状态。 当列车再生制动时, 牵
6、引网电压便会上升, 双向DC-DC 变换器便会自动进入到 充电状态, 将再生制动能量储存到超级电容组中, 有效控制牵引网产生的电压, 防止牵引网电压过大而引起列车波动3。 例如对于双向DC-DC 变换器电路的设计, 如果列车处在制动状态时, 牵引网电 压会不断攀升, 双向 DC-DC 变换器就会进入充电状态, 开关管的一端会导通将 再生制动能量储存到电感上, 而另一端就会自动关闭。 相反如果开关管导通的一 端处在关闭状态, 因电感中存在的电流不会变为 0, 便会经二极管对超级电容 器储能装置进 行充电, 转变为列车再生制动的能量, 一旦牵引网电压低于限定 值, 双向 DC-DC 变换器处在放电
7、状态时, 开关器件便会进入工作状态, Boost 电 路如同充电一样, 吸收剩余的再生能量, 确保直流母线电压稳定。 ( 三) 主电 路的建 模仿真 分析 为验证超级电容储能装置所设计主电路的可行性, 必须做好城市轨道交通主电 路建模仿真工作, 通过电阻代替超级电容储能装置对主电路进行升压、 降压电力 仿真分析, 确保电网电压稳定4。 例如在某城市轨道交通中 的供电设计中, 基于 simulink 建立的超级电容器储能 装置仿真模型, 利用控制电机的转速来模拟城市轨道列车启动、 加速、 惰性、 减 速以及制动工况, 一旦列车运行 0.25s 的速度为 200r/min 后, 进行恒速运行 0.
8、6s 时的速度为50r/min 时, 所显示的超级电容器组结果为:当超级电容储存装 置投入使用后, 电网电压波动控制在 740750v 内, 直流电流在-510A 内波动, 一旦列车在加速时, 超级电容便会处在放电状态, 降低电网电压, 如果列车在 减速与制动时, 超级电容储能装置就会进行充电, 以提高电网的电压。 从这一仿 真的结果分析来看, 在城市轨道交通中应用超级电容器储能装置, 可有效改善 电网电压和电流的运行状态, 控制牵引网电压的波动范围。 三、结束语 综上所述, 在城市轨道交通中有效运用超级电容储能装置, 能够保证电网电压 稳定, 实现能量的循环利用, 从而达到节约能源的目的。
9、但是要想充分发挥超级 电容储能装置的效用, 还需做好装置主电路、 双向 DC-DC 变换器和主电路的建模 仿真分析等工作, 保证系统运行的安全稳定性。 参考文献 1 成建国, 吴松荣, 张一等.城轨车辆车载式超级电容储能系统研究J.现代 城市轨道交通, 2016, 3 (2) :7-11. 2 曹成琦, 王欣, 秦 斌等.基于车载超级电容储能系统在城市轨道交通的应用 研究J. 电工电气, 2017, 2 (1) :9-12. 3 胡婧娴, 林仕立, 宋文吉等. 城市轨道交通储能系统及其应用进展J.储能 科学与技术, 2014, 3 (2) :106-116. 4 赵亮, 刘炜, 李群 湛等.城市轨道交通超级电容储能系统的 EMR 建模与仿真 J. 电源技术, 2016, 40 (1) :124-127.
