超级电容城市轨道列车能量管理系统研究

0 引言

城市人口比例不断增加，路面交通拥堵愈演愈烈，大运量高密度的城市轨道交通工具地位凸显。数据显示，提供城市轨道交通的能量，仅有大约十分之一的能量消耗于辅助列车运行，剩下的城市轨道交通耗能主要集中在启动和制动阶段，其中制动消耗的能量过半。合理的设计列车运行方法，妥善处理制动能量消耗，是实现城市轨道交通节能减排重要途径。传统城市轨道列车使用的电力驱动系统采用的变频调速系统，既变频电机电流与电压不同相时器件储存能反充电源可以实现制动能回收，这种变频技术极大促进轨道列车制动能回收再利用的发展。这种仅仅依靠电网供电系统应对列车动态工况变化存在一些缺陷，列车在启动、加速、上坡时需要较大电能支撑消耗较大，城市轨道列车高峰期这种影响直接增加了城市电网负担。列车在制动和减速等工况时会对电网快速充电，高峰时期电网回收的电能会引起供电电压增加，所升电压不及时处理势必增加网络电路中能量消耗。

由此，超级电容能量管理系统就是结合城市轨道交通系统，频繁的启动、加速、制动特点，优化出一种合理方案。列车启动加速时释放所补充所需电压，减速制动时存储制动回收的电能。优化超级电容能量管理系统可以起到较好的节能效果，能量回收再利用降低轨道交通系统的运营成本，又减轻了高峰期城市电网负担。

1 超级电容特性

超级电容利用活性碳多孔电极与电解液组成双电层结构的双电层电容器，当两端加电压时两个电极分别正负极化，电解液中正负离子分别游离各自电荷相反的电极而形成两个集电层，犹如两个串联的电容。

（1）

A 为极板面积，d 为介质厚度，C 为电容值μF，Uc 为电容端电压。超级电容所存储能量：

（2）

结合式子(1)(2) 可知，超级电容储能能力取决于自身极板面积、介质厚度，活性炭单位质量表面积极大，电极面之间厚度极小，所以超级电容储能能力突出。极板间电解质离子游动发生的是物理变化，内阻极小这样特点成就超级电容可以大功率迅速充电放电。

超级电容荷电核量SOC（State of Charge）既超级电容瞬时能量值Ec 与其可存储的最大能量值的比值表示超级电容的核电状态：

（3）

由公式（2）（3）可知：

，期中k 为常数。超级电容荷电状态与其瞬态端电压关联，方便检测超级电容充放电时的荷电状态。

图1 超级电容内部等效电路模型149

科技论坛

2016.10

超级电容动态工作过程会受到环境温度、充放电流、荷电状态等因素影响，图1 模型虽然难以模拟出超级电容动态特性，但可以简单反映出超级电容许多特性，计算出超级电容断路电压。

图中显示为放电过程，充电时电流方向相反，C 超级电容容量，U1 为输出电压，R2 等效并联电阻充放电时对电路影响甚微静态漏电流v= 起作用需R2 尽可能大，R1 充放电影响总电路应尽可能小。

（4）

（5）

分析超级电容自身特性，了解超级电容是一个大容量储能电器元件，具有比功率高，充电放点时间迅速，环保寿命长特性。利用超级电容充电放电迅速与储能能力可以解决轨道列车供电系统高峰供电压力与制动能回收升压问题。

3 控制系统结构原理

绝缘栅双极晶体管变流器根据轨道列车供电电网电压的变化向超级电容充电或放电，减速或制动能回收时超级电容存储电网回收的制动能，加速启动时超级电容补充供电电网低于设定值的电能。

图2 绝缘栅双极晶体管变压逆变器拓扑图

如下图2 所示，当列车到站制动时供电电网将制动回收的能量存储超级电容，DC/DC 变换器将较大的直流电转换为较小直流电并快速充电，进入降波斩波器buck 模式。绝缘栅双极晶体管K2 导通，K1 关断，总线电压想超级电容反馈能量。0〈t〈ton 时段， K2 导通，总线电压向电感蓄电；ton〈t 时段，K1 导通，电感蓄能电流经T1 继续流向超级电容侧。

当列车启动加速牵动供电降至设定最低值时超级电容放电， K1 导通，K2 闭合，电流由超级电容流向总线电压侧流动。0〈t〈ton 时段，K1 导通，超级电容向电感蓄电；ton〈t 时段，K2 导通，电感蓄能电流经T2 继续流向总线电压侧流动。

4 超级电容与总线控制方法

超级电容结合轨道交通列车运行工况的能量控制策略，解决负载供电总线因为列车频繁启动加速大功率功能拖低电压，到站减速与制动能回收引起的电压升高，这些城市轨道交通频繁出现的工况引起的总线电压起伏不稳工况问题，以避免总线高压波动大电流烧损辅助器件。超级电容为负载总线因加速启动放电补充额外能量，电压不低于总电压的一半，荷电状态SOC 控制在四分之一以上，所以如图3 所示，要对超级电容充放电检测，保证SOC 处于设定的40%-80% 理想状态范围内，以应对较少情况减速制动能过多而无法回收。同时在超级电容静态时要考虑自身漏电影响，确保最终超级电容SOC 值的瞬态准确性。

图3 超级电容与总线控制关系框图

总线电压侧随运行工况变化引起的电压电流波动，也通过检测实时地向控制系统传递信号。控制单元处理来自超级电容荷电状态与负载总线运行瞬时电压电流信号，操纵超级电容充放电与DC/DC 逆变器应处于buck 状态还是boost 状态。

图4 控制系统信号处理流程图

如图4 所示，超级电容能量管理控制策略突出信息处理关键作用，控制的是强电流大功率开通与关断，间接控制高压超级电容充放电，均要考虑电磁干扰与漏电保护，所以要有系统故障自处理系统。检测超级电容储能系统充放电的稳定性，出现比较小的扰流信号时发出故障信号，不可抗拒故障时应发出终止系统运行程序。

5 总结

城市轨道交通列车以其站间距离短频繁加速、启动、制动高负荷大功率运行的特点，极其适用超级电容充放电迅速比功率高特性。提出超级电容SOC 与端电压之间关系，分析超级电容等效电路以及超级电容能量管理策略。控制DC/DC 逆变器buck 模式与boost 模式转换并检测超级电容与总线侧电压以实现超级电容与总线电压侧之间能量的转移。

能量回收与轨道交通联网以及实时监测与控制能量回收系统运行是能源管理策略设计关键，具有意义非凡的研究价值。超级电容产品的成熟与成本下降之后，以及社会对环保能源的渴求，促使超级电容城市轨道交通列车正在加速向我们驶来。

参考文献

[1] 陈朗. 超级电容在轨道交通系统中的应用[J]. 城市快轨交通， 2008，（6）：76-79.

[2] 何晓光，张逸成. 轨道交通超级电容能力回收控制系统设计

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