劉助威 張世友 謝耀征

【摘 要】文章簡(jiǎn)述了現(xiàn)代有軌電車(chē)的供電方式，介紹了天水市有軌電車(chē)示范線(xiàn)（一期）項(xiàng)目有軌電車(chē)整車(chē)的基本技術(shù)參數(shù)。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目整個(gè)線(xiàn)路的電量消耗仿真確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的初步電量及配置，依據(jù)線(xiàn)路網(wǎng)側(cè)電流仿真校核車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，并與目前幾種常用車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比;確保所述儲(chǔ)能系統(tǒng)滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

【關(guān)鍵詞】?jī)?chǔ)能;超級(jí)電容;100%低地板有軌電車(chē)

【中圖分類(lèi)號(hào)】U482.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）09-0048-03

0 前言

目前，我國(guó)新型有軌電車(chē)發(fā)展迅速，現(xiàn)有100%低地板有軌電車(chē)供電方案主要包括接觸網(wǎng)供電和無(wú)接觸網(wǎng)兩種供電方式;無(wú)接觸網(wǎng)供電又主要分為地面供電方式和采用車(chē)載儲(chǔ)能裝置供電方式[1-4]（如圖1、圖2所示）。

國(guó)內(nèi)車(chē)載儲(chǔ)能介質(zhì)主要有鋰電池、超級(jí)電容等，各介質(zhì)主要特性對(duì)比分析見(jiàn)表1。

1 車(chē)輛總體技術(shù)參數(shù)

天水市有軌電車(chē)示范線(xiàn)（一期）項(xiàng)目采用的車(chē)型為5個(gè)模塊編組，2個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，1個(gè)拖動(dòng)轉(zhuǎn)向架，雙向行駛，正線(xiàn)采用儲(chǔ)能式無(wú)架空接觸網(wǎng)供電方式運(yùn)行，具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置

天水市有軌電車(chē)示范線(xiàn)工程（一期）線(xiàn)路平均站間距大于1 km，目前國(guó)內(nèi)采用超級(jí)電容（EDLC）儲(chǔ)能介質(zhì)的項(xiàng)目基本平均站間距都小于1 km，因?yàn)镋DLC能量密度比較低，所以如果要實(shí)現(xiàn)大站間距的運(yùn)行，必然需要配置更多的超級(jí)電容，而現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)頂設(shè)備安裝空間有限。

為了滿(mǎn)足天水市有軌電車(chē)縮短發(fā)車(chē)間隔的需求，需要有軌電車(chē)所載儲(chǔ)能介質(zhì)具有較高的功率密度滿(mǎn)足快速充電的需求，并且需要該存儲(chǔ)介質(zhì)具有一定的能量密度，以滿(mǎn)足有軌電車(chē)在站間的續(xù)航。超級(jí)電容是目前常見(jiàn)的功率密度較大的儲(chǔ)能介質(zhì)，但是通過(guò)表1可知，一般的雙電層超級(jí)電容能量密度太低，為滿(mǎn)足能量密度的需求，在此選取由美國(guó)MAXWELL公司和中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所共同開(kāi)發(fā)的鋰離子超級(jí)電容（LCAP），這種超級(jí)電容兼具了功率密度大和能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，并且具有高達(dá)100萬(wàn)次的循環(huán)使用壽命及-30 ℃正常運(yùn)行的特性，比較適合在有軌電車(chē)車(chē)載儲(chǔ)能中應(yīng)用。

依據(jù)線(xiàn)路仿真結(jié)果，全線(xiàn)路站間能耗如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，整車(chē)對(duì)超容電量需求最大站間耗電量為12 kW·h（不考慮再生制動(dòng)），考慮系統(tǒng)壽命后期容值衰減至80%，則要求儲(chǔ)能系統(tǒng)初始可用電量：

W初≥Wmax/μ=12/0.8=15 kW·h（Wmax表示區(qū)間最大耗電量，μ表示衰減系統(tǒng)）。

依據(jù)電量計(jì)算，初步配置的整個(gè)超級(jí)電容供電系統(tǒng)包括100個(gè)超級(jí)電容模組，采用10串10并，分為3個(gè)箱子，其中2個(gè)箱子中含40個(gè)模組（I型箱），采用10串4并;另一個(gè)箱子中含有20個(gè)模組（II型箱），采用10串2并。

每個(gè)箱體配置一臺(tái)接觸器，在其中某一組發(fā)生故障時(shí)可以單獨(dú)切除。3個(gè)超容箱體并聯(lián)在一起，總共可以提供最大為1 222 kW、最少為765 kW的輸出功率（考慮內(nèi)阻影響），并且可以提供16.8 kW·h的初值電能，系統(tǒng)整個(gè)供電系統(tǒng)的基本配置見(jiàn)表3。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)詳細(xì)說(shuō)明

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量校核

列車(chē)儲(chǔ)能供電系統(tǒng)由3個(gè)超級(jí)電容箱體組成，安裝于有軌電車(chē)的頂部，列車(chē)運(yùn)行期間，牽引系統(tǒng)及輔助供電系統(tǒng)直接從超級(jí)電容取電，電車(chē)進(jìn)站期間，由充電機(jī)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電保證列車(chē)在站間的能量消耗。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)將系統(tǒng)停止放電和停止充電信號(hào)反饋到整車(chē)控制器，保護(hù)超級(jí)電容系統(tǒng)。

制動(dòng)時(shí)優(yōu)先使用再生制動(dòng)，即牽引系統(tǒng)將制動(dòng)能量饋入超級(jí)電容箱體內(nèi)。超級(jí)電容的工作范圍為510～815 V，制動(dòng)反饋能導(dǎo)致超級(jí)電容電壓不應(yīng)超過(guò)815 V時(shí)（緊急制動(dòng)），制動(dòng)反饋電流不應(yīng)超過(guò)每個(gè)箱子額定充放電電流。

儲(chǔ)能系統(tǒng)性能參數(shù)見(jiàn)表4。儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電電流校核。依據(jù)牽引仿真計(jì)算，全線(xiàn)路網(wǎng)側(cè)電流如圖4所示。

根據(jù)牽引計(jì)算結(jié)果，車(chē)輛行車(chē)過(guò)程中：最大牽引電流≤1 200 A;最大再生制動(dòng)電流≤1 300 A。

（1）整車(chē)超容儲(chǔ)能系統(tǒng)采用10S10P，每個(gè)I型超容箱采用10S4P，因此I型超容箱，在正常行車(chē)中，最大牽引電流≤480 A，最大再生制動(dòng)電流≤520 A;II型超容箱最大牽引電流≤240 A，最大再生制動(dòng)電流≤260 A。

（2）站內(nèi)整車(chē)充電電流為1 500 A，I型箱充電電流為600 A;II型箱充電電流為300 A。

對(duì)比表4，可知所選車(chē)載儲(chǔ)能裝置能滿(mǎn)足項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求。

3.2 車(chē)站充電控制

當(dāng)充電樁檢測(cè)到車(chē)輛的電子標(biāo)簽，表明車(chē)輛已經(jīng)進(jìn)站，同時(shí)充電樁檢測(cè)車(chē)輛母線(xiàn)電壓在范圍之內(nèi)，上述兩個(gè)條件同時(shí)具備時(shí)，充電樁給車(chē)載儲(chǔ)能進(jìn)行試充電;試充的目的是檢測(cè)車(chē)載儲(chǔ)能的狀態(tài);理想充電曲線(xiàn)如圖5所示。

充電樁以恒定電流i對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行試充;試充時(shí)間為t。

充電樁在試充時(shí)間段取兩個(gè)采樣點(diǎn)，Ta/Tb;采集相應(yīng)的累計(jì)電荷量及電壓值，進(jìn)行容值計(jì)算，根據(jù)容量計(jì)算公式：C=ΔQ/ΔU[其中：ΔQ=Qb-Qa=i×（Tb-Ta）]，ΔU=Ub-Ua。

可以計(jì)算整車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)容值，從而判斷幾個(gè)儲(chǔ)能箱體在線(xiàn)，這樣在試充結(jié)束后可以依據(jù)實(shí)際在線(xiàn)儲(chǔ)能箱體的個(gè)數(shù)進(jìn)行電流調(diào)整。當(dāng)充電結(jié)束后，充電樁檢測(cè)到車(chē)輛離開(kāi)充電柜時(shí)，斷開(kāi)充電電路，車(chē)輛離站，整個(gè)充電過(guò)程結(jié)束。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的有軌電車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠很好地滿(mǎn)足天水項(xiàng)目的技術(shù)需求，提供了一個(gè)較大站間距的全程無(wú)架線(xiàn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案。目前，車(chē)載儲(chǔ)能式有軌電車(chē)正處于發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)主要的車(chē)載儲(chǔ)能介質(zhì)有鋰電池/超級(jí)電容，但上述兩種儲(chǔ)能方式都有一定的弊端，本文描述的儲(chǔ)能系統(tǒng)在一定程度上兼顧了電量和功率兩個(gè)因素，能在很好地滿(mǎn)足牽引加速性能的同時(shí)，盡可能地延長(zhǎng)站間距。

參 考 文 獻(xiàn)

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