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超級電容儲能裝置在城市軌道交通中的應用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月03日  

聶晶鑫,郭育華,夏猛


摘要:利用超級電容特性并結合城市軌道交通特點,設計一種用于城市軌道交通的儲能裝置,以維持在車輛 啟動和再生制動時的電壓穩定,減少隧道內因電阻發熱而產生的溫升。通過吸收再生制動能量,在列車啟動時釋放能量,使其循環利用,實現節約環保。


0引言


隨著石化資源的日益減少,環境和能源危機越來越威脅到人類未來的生存發展,節能減排的重要性逐漸得到了全世界的關注。隨著電力電子技術、電機調速和驅動控制技術的進步和發展,交流變頻調速系統已經廣泛應用于軌道交通領域。


變頻調速系統可以實現將機械能轉化為電能,即再生制動,使得一部分能量能夠回饋給電網,從而節約能源。目前的電力牽引系統廣泛使用該電制動方式,既回收了部分機械能,又減少了機械制動的損耗,減少了維護時間和費用。但是以目前的牽引網結構,如果同段線路上沒有列車消耗再生電能,牽引網電壓則會上升,可能影響供電系統安全運行,目前的解決辦法是用電阻消耗多余電能,以維持電壓穩定。在地鐵隧道中該方式會造成隧道內溫度升高,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中加入儲能環節,它在再生制動時吸收能量,避免浪費;在啟動或加速時提供部分功率支持,減少牽引網電壓波動[1,2]。


本文研究了超級電容的充放電特性和城市軌道交通的運行特點,選擇超級電容作為儲能介質,搭建軌道交通超級電容儲能系統,分析雙向直流變換器的工作過程,采用牽引直流側電壓作為能量控制策略依據,使超級電容儲能系統對直流系統電壓起到穩定作用。


1超級電容儲能裝置及策略


城市軌道車輛在再生制動時,牽引直流側電壓升高,在啟動和加速時牽引直流側電壓降低,通過控制并接在直流側的雙向DC/DC變換器,對超級電容充電放電,可以實現削峰平谷、平衡直流側電壓和能量回收再利用的作用。主電路拓撲結構如圖1所示。


2超級電容


超級電容的特點有:循環壽命長,充放電循環次數可達50萬次以上;功率密度大,約是鉛酸電池的20倍,短時間大功率充放電能力強;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是區間運行時間短,啟停頻繁,短時間電壓尖峰明顯。所以超級電容的特性恰好(或正好)滿足城市軌道交通儲能的需求,比其他儲能方式具有更好的性能匹配和更高的性價比。


4控制策略


控制主要目的是減小電壓波動,同時還要限制充放電電流,避免過大電流損壞器件。另一方面要將電池儲能量控制在一個合理狀態,既能提供一定功率輸出,也要留有一定的吸收能量空間。如果再生能量過多而無法完全吸收,還要投入耗能電阻輔助消耗電能。


直流母線側電流I的變化能引起直流母線側電壓V的變化,通過測量直流側電容電壓可以間接獲得負載功率的變化,因此將直流側電壓作為充放電控制策略的判斷依據。設定當直流側電壓小于V1 時,牽引功率為正,列車正在啟動或加速,需要能量支持,超級電容器釋放能量,以保證直流母線電壓穩定。當直流側電壓大于V4時,牽引功率為負,有制動能量產生,此時儲能系統從直流側吸收能量,以保證直流母線電壓穩定。見圖5所示。


5結束語


本文介紹了超級電容儲能裝置用于城市軌道交通系統中,可以使再生能量循環利用,并且保持直流電壓穩定。詳細說明了儲能裝置的工作原理,以及控制策略。


隨著超級電容產品的日益成熟,生產成本隨之下降,超級電容儲能裝置裝備在城市軌道系統中的性價比也開始凸現。加之對節能環保要求的提高,這一裝置會很快應用于城市軌道交通領域。


參考文獻:


[1]陳朗.超級電容在軌道交通系統中的應用[J].城市快軌交通,2008,(6):76-79.


[2]何曉光,張逸成.軌道交通超級電容能力回收控制系統設計[J].電氣自動化,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.現代電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2006.


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