超级电容储能装置在城市轨道交通中的应用研究

电能作为城市轨道交通的重要能源, 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-3, 功率密度为106km/m-3, 效率为92%。

高速飞轮的使用期限为20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]。

(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0.6s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740~750v内, 直流电流在-5~10A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。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。

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

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.