何海軍

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213300）

1 引言

軌道交通是指運營車輛需要在特定軌道上行駛的運輸系統(tǒng)，其具有節(jié)約用地、節(jié)約能源、速度快、運輸量大等特點。由于軌道交通始終運行在專用的行車道之上，因此其不易受到其他交通工具的影響，且線路擁堵、外界氣候等因素對列車行進行為的干擾影響也相對較小[1]。常規(guī)的軌道交通儲能供電系統(tǒng)由外部電源、牽引供電系統(tǒng)、主變電所等多個結(jié)構(gòu)共同組成。在貨物供應(yīng)需求不斷增大的現(xiàn)實情況下，軌道交通貨車輪軸所需的牽引力水平也會隨之升高，此時由于儲能余量的改變，電子量資源的利用效率也會逐漸下降。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)的直流微網(wǎng)型供應(yīng)系統(tǒng)[2]利用柔性體系對傳輸電子量進行處理，再按照軌道交通貨車輪軸對于傳輸電子的消耗需求，將這些傳輸電量均勻分配至各級儲能與供電機構(gòu)當(dāng)中。然而該傳統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用能力相對有限，并不能實現(xiàn)對貨車輪軸余能量的有效收集與處理。

基于上述分析，本文研究了新型軌道交通貨車輪軸余能智能收集儲能供電系統(tǒng)，在超級電容、雙向DC-DC 變換器等多個硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的作用下，實現(xiàn)對輪軸負(fù)荷特性的建模處理，再按照離散傅里葉變換原理，得到準(zhǔn)確的儲能電量約束控制條件。

2 儲能供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

軌道交通貨車輪軸余能智能收集儲能供電系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)體系由超級電容、雙向DC-DC 變換器、均流控制電路三部分共同組成。

2.1 超級電容

超級電容是一種雙層型的電容器儲能元件，其供電原理與蓄電池的氧化還原反應(yīng)類似。在此過程中，由于超級電容元件陰極與陽極板材的存在，電解液交界面處會發(fā)生可逆的電化學(xué)反應(yīng)，從而將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲于電容元件之中[3]。

當(dāng)軌道交通貨車輪軸智能均流控制電路同時對超級電容兩個電極施加電壓時，處于電解液之中的導(dǎo)體設(shè)備會直接與電解質(zhì)相接觸，從而致使電解液界面表層產(chǎn)生符號相反、方向相同的穩(wěn)定雙電層結(jié)構(gòu)。在自由傳輸電子的作用下，這些物理電荷可跟隨電場行為逐漸移動到與之符號完全相反的電極板材之上，這些點電荷的不斷累積，促使超級電容元件具備了較強的余能收集能力[4]。超級電容器件儲能原理如圖1所示。

圖1 超級電容器件儲能原理

具體超級電容元件的儲能量計算公式為：

其中，ε 表示電解液的儲能介電常數(shù)，S表示電極材料的有效表面積數(shù)值，k表示電子粒徑分布系數(shù)，d表示超級電容元件的電導(dǎo)率數(shù)值。

2.2 雙向DC-DC變換器

雙向DC-DC變換器以EN63 82 Q1主機作為核心搭建元件，同時掌管PVIN、AVIN、PGND、FQADJ等多個端口中的儲能電子量傳輸行為，并可借助R 級電阻與C 級電容，將這些傳輸電子轉(zhuǎn)化成既定電流與電壓應(yīng)用格式，從而存儲于下級供電設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中，以供軌道交通貨車輪軸元件的直接調(diào)取與利用。Vin接口端與儲能供電系統(tǒng)的正極輸入端相連，可接收在軌道交通貨車輪軸轉(zhuǎn)動過程中，未被完全消耗的傳輸電子，并可在超級電容元件的作用下，將剩余電子量轉(zhuǎn)化成便于存儲的應(yīng)用格式，從而實現(xiàn)對軌道交通貨車輪軸行為的有效控制[5-6]。Vout接口端與儲能供電系統(tǒng)的負(fù)極輸出端相連，在軌道交通貨車輪軸轉(zhuǎn)動過程中，所有傳輸電子都可經(jīng)此通道進入系統(tǒng)的儲能供電體系之中，一方面完善現(xiàn)有的電量應(yīng)用及存儲環(huán)境，另一方面也可較好干預(yù)由軌道交通貨車輪軸行進而帶來的電力資源消耗行為，從而實現(xiàn)對輪軸牽引力作用的持續(xù)促進。雙向DC-DC 變換器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 雙向DC-DC變換器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 智能均流控制電路

智能均流控制電路能夠提供儲能供電系統(tǒng)所需的全部傳輸電子量，可在超級電容、雙向DC-DC 變換器元件的作用下，對軌道交通貨車輪軸的剩余能量進行收集與調(diào)度協(xié)調(diào)，從而使得系統(tǒng)儲能元件中始終能夠保持相對充盈的電量存儲狀態(tài)[7]。均流母線具有較高的電阻均值水平，可聯(lián)合連接電阻結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)均流控制器中的電量傳輸行為。在傳輸電壓數(shù)值得到放大的情況下，傳輸電流數(shù)值也會隨之增大，此時軌道交通貨車輪軸的轉(zhuǎn)動速度加快，待收集的傳輸電子量數(shù)值水平也會開始升高[8-9]。電流采樣指令必須在主功率變換單元的支持下才能夠順利進行，隨著輪軸行進信號驅(qū)動量的增大，系統(tǒng)儲能電壓的數(shù)值結(jié)果也會得到有效促進，這也是儲能供電系統(tǒng)應(yīng)用能力能夠得到較好保障的主要原因。

圖3 智能均流控制電路示意圖

3 軌道交通貨車輪軸余能的智能收集控制

在各級硬件體系結(jié)構(gòu)的支持下，按照輪軸負(fù)荷特性建模、離散傅里葉變換、約束控制條件定義的流程，實現(xiàn)輪軸余能的智能收集與控制，兩相結(jié)合，完成軌道交通貨車輪軸余能智能收集儲能供電系統(tǒng)的設(shè)計。

3.1 輪軸負(fù)荷特性建模

由于電能牽引力在相鄰儲能供電節(jié)點之間的數(shù)值結(jié)果應(yīng)與軌道交通貨車輪軸的實際耗能量相等，因此，設(shè)△T代表軌道交通貨車通過相鄰儲能供電節(jié)點所需的時間，代表供電量消耗特征值，聯(lián)立公式(1)，可將軌道交通貨車輪軸余能的負(fù)荷特性建模條件定義為：

其中，ω1、ω2分別代表兩個不同的貨車輪軸余能收集系數(shù)代表相鄰儲能供電節(jié)點之間的電能消耗量均值。

3.2 離散傅里葉變換

離散傅里葉變換是通過數(shù)值干預(yù)手段對數(shù)據(jù)信息進行處理的方法，能夠揭示輸入信號在頻域與時域方面的內(nèi)在聯(lián)系關(guān)系。經(jīng)過離散傅里葉變換處理后的數(shù)據(jù)具備更強的信息反饋能力，可幫助系統(tǒng)應(yīng)用主機準(zhǔn)確掌握軌道交通貨車輪軸能力的實際剩余情況，并針對其剩余數(shù)值制定合理的收集計劃，從而使得儲能供電系統(tǒng)的處理能力得到較好激發(fā)。

在頻域與時域轉(zhuǎn)換中，為得到最終的供電量存儲數(shù)值，首先應(yīng)對軌道交通貨車輪軸的余能信息進行截取與過濾處理，再從中篩選出具有明顯可收集特點的數(shù)據(jù)以用于后續(xù)的存儲與應(yīng)用，在整個處理過程中，傅里葉變換原理始終為數(shù)據(jù)信息的查找與篩查提供可參考的約束條件。

首先應(yīng)對電子量信號進行頻譜分析，當(dāng)供電頻率數(shù)值等于信號采樣頻率的一半時，極易出現(xiàn)明顯的頻域混疊行為，為避免上述情況的發(fā)生，應(yīng)適當(dāng)提升電量采樣頻率的數(shù)值結(jié)果，從而使得軌道交通貨車的輪軸余能量得到有效激發(fā)。

假設(shè)x0代表最小的傅里葉離散系數(shù)，xn代表最大的傅里葉離散系數(shù)，n代表常規(guī)變換參量，聯(lián)立公式(2)，可將軌道交通貨車輪軸余能的離散傅里葉變換結(jié)果表示為：

其中，f代表電子量的頻域存儲系數(shù)，q代表電子量的時域存儲系數(shù)代表輪軸動能的特征儲能參量，代表軌道交通貨車輪軸余能的離散化收集條件。

3.3 約束控制條件

約束控制條件構(gòu)建是軌道交通貨車輪軸余能智能收集儲能供電系統(tǒng)設(shè)計的末尾處理環(huán)節(jié)，隨軌道交通貨車輪軸牽引力數(shù)值的增大，超級電容兩端所承載的物理電壓量數(shù)值也會不斷增大，直至系統(tǒng)儲能供電調(diào)配主機能夠較好控制雙向DC-DC 變換器中電子量的傳輸變化能力。根據(jù)軌道交通貨車輪軸余能的離散傅里葉變換結(jié)果可知。若控制系統(tǒng)的儲能供電能力保持不變，則可認(rèn)為待存儲的電子數(shù)值總量越大，系統(tǒng)對于貨車輪軸余能的約束控制能力也就越強。設(shè)m代表與超級電容元件匹配的電子量存儲系數(shù)，聯(lián)立公式(3)，可將儲能供電系統(tǒng)的約束控制條件定義為：

其中，v1、v2分別代表兩個不同的耗能電子供應(yīng)參量，D代表電子量導(dǎo)流系數(shù)，β代表與軌道交通貨車相關(guān)的電能運輸條件。至此，完成各項理論系數(shù)值的計算與應(yīng)用，在軌道運行環(huán)境中，實現(xiàn)交通貨車輪軸余能智能收集儲能供電系統(tǒng)的研發(fā)。

4 檢測實驗

設(shè)計如下實驗，驗證軌道交通貨車輪軸余能智能收集儲能供電系統(tǒng)的有效性。以圖4所示的貨車作為實驗對象，分別令該車輛在固定距離的運輸線路之間進行往返行駛，其中從出發(fā)點到結(jié)束點的運輸過程搭載軌道交通貨車輪軸余能智能收集儲能供電系統(tǒng)，作為實驗組；從結(jié)束點到出發(fā)點的運輸過程搭載傳統(tǒng)的直流微網(wǎng)型供應(yīng)系統(tǒng)，作為對照組。

圖4 實驗用軌道交通貨車

QZT系數(shù)可用來描述供電系統(tǒng)為軌道交通貨車輪軸所提供牽引動力的數(shù)值水平，若不考慮摩擦力條件對貨車輪軸轉(zhuǎn)動行為造成的影響，則可認(rèn)為QZT系數(shù)值越大，供電系統(tǒng)為軌道交通貨車輪軸所提供牽引動力水平也就越高。表1記錄了QZT系數(shù)的實際數(shù)值結(jié)果。

表1 QZT系數(shù)值

分析表1可知，隨著實驗時間的不斷延長，實驗組QZT系數(shù)始終保持不斷上升的數(shù)值變化趨勢，且實驗前期、實驗后期的系數(shù)增大幅度并未出現(xiàn)明顯數(shù)值差異；對照組QZT系數(shù)在一段時間的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)后，開始逐漸趨于小幅上升的變化趨勢，在達(dá)到最大數(shù)值結(jié)果后，又開始逐漸下降。從極限數(shù)值的角度來看，實驗組最大值82．1%與對照組最大值48．1%相比，上升了34．0%。

SSZ 指標(biāo)則能反映軌道交通貨車輪軸對于電力儲能量的利用率水平，為更好適應(yīng)軌道交通的運輸需求，規(guī)定SSZ指標(biāo)數(shù)值越小，貨車輪軸對于電力儲能量的利用率水平越高，反之則越低。表2記錄了實驗組、對照組SSZ 指標(biāo)數(shù)值的實際變化情況。

表2 SSZ指標(biāo)數(shù)值

分析表2可知，隨著實驗時間的不斷延長，實驗組SSZ系數(shù)值在小幅上升狀態(tài)后，開始逐漸趨于穩(wěn)定，又在15min的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)后，開始呈現(xiàn)不斷下降的數(shù)值變化趨勢；對照組SSZ系數(shù)則始終保持不斷上升的數(shù)值變化趨勢，但單純從數(shù)值變化量的角度來看，實驗前期上升幅度明顯大于實驗后期。在整個實驗過程中，實驗組最大值達(dá)到了32．5%，與對照組最大值59．5%相比，下降了27．0%。

綜合上述實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可知：軌道交通貨車輪軸余能智能收集儲能供電系統(tǒng)具有較強的應(yīng)用可行性，也可突出說明其實際應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

在直流微網(wǎng)型供應(yīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，軌道交通貨車輪軸余能智能收集儲能供電系統(tǒng)針對輪軸結(jié)構(gòu)體牽引能力較弱的問題進行改進，在聯(lián)合超級電容、雙向DC-DC 變換器等多個硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體的同時，對輪軸的負(fù)荷特性條件進行建模處理。不僅可對剩余能源量進行準(zhǔn)確的離散傅里葉變換，也可實現(xiàn)對傳輸電子量的有效約束控制。從實用性角度來看，QZT 系數(shù)指標(biāo)的增大、SSZ 系數(shù)指標(biāo)的減小，能夠提升儲能供電系統(tǒng)所提供的牽引動力數(shù)值，從而加快對儲能量的消耗與利用，較為符合軌道交通領(lǐng)域的實際應(yīng)用需求。