摘 要： 采用超级电容储能装置实现轨道交通工程存在的再生制动能量吸收功能，同时可以有效解决逆变回馈型节能装置的再生能量倒送110 kV主变电所问题。本文以实际工程中的列车运行参数为基础，对列车制动过程进行力学和电学分析，提出了电容储能型节能装置的整体设计方案。储能型节能装置包括双向斩波器和超级电容组，斩波器主电路采用交错并联的双向Buck-Boost电路，超级电容组采用串并联方案；根据储能装置的电压和电流需求，设计了超级电容组的串联配置数量和并联配置数量。建立了列车、整流机组和储能装置模型，并在此基础上设计了储能装置中斩波电路的控制策略，实现储能装置在列车制动过程中能量的储存功能和牵引过程中能量的释放功能；最后以PWM整流器的功率源模式作为列车模拟源，模拟列车的牵引过程和制动过程，通过试验验证了斩波电路的控制策略和超级电容组的充放电特性，结果表明该储能方案的斩波电路控制策略和电容组容量配置方案满足要求。
关键词： 超级电容；容量配置；Buck-Boost；控制策略
随着国家对节能的日益重视，轨道交通工程中涌现出了多种类型的再生节能设备，其中以逆变回馈型和储能型应用最为广泛。储能型节能设备仅与直流牵引网有接口，不存在再生能量倒送110 kV主变电所的情况，因此在发车密度较低、列车之间互相吸收比例较低的郊区或市域线路得到越来越多的研究和应用。
超级电容的功率密度大、充放电速度快，完美匹配轨道交通列车制动瞬时功率大、上升速度快的应用需求，在轨道交通行业内获得了广泛的应用。
1 整体方案
储能型节能装置包括双向斩波器和超级电容组，通过直流开关柜接入到变电所的1500 V直流母线，如图1所示。当列车制动时，再生能量返送到牵引网上，变电所直流母线电压高于空载电压，双向斩波器进入Buck工作模式，将能量存到超级电容组中；当车辆牵引取流时，变电所直流母线电压低于空载电压，双向斩波器进入Boost工作模式，将超级电容组中存储的能量释放出来。
图1 储能型节能方案
1.1 容量配置
1.1.1 列车制动计算
列车制动是列车在电制动力和阻力共同作用下车速降为零的过程，根据经典力学定律
(1)
式中，Fb为电制动力；f为平均阻力；m为列车计算重量，回转质量系数按6%计算；a为列车制动减速度。
列车制动产生的反馈功率可表示为
(2)
式中，为制动速度；η为齿轮传动系统的效率，取0.89；p0为辅助用电功率，取289 kW（功率因数为0.85）。
列车制动时，一部分动能用来克服阻力做功、齿轮传动系统损耗和辅助用电设备消耗，剩余的能量全部转换为电能并反馈到直流牵引网上，反馈的总能量可表示为
(3)
式中，为制动初速度；s为制动距离；t为制动时间。
济南市域轨道交通R1号线采用DC1500V供电的B型列车，列车参数：2动2拖4辆编组，AW2车重200 t，最高运行速度100 km/h，辅助用电功率170 kVA×2，平均制动减速度-1 m/s2，平均阻力10 kN。
根据上述计算方法，列车单次制动的峰值功率为4705 kW，单次制动能量为17 kW·h。由于市域列车的发车密度较低，相邻车互相吸收的比例低于20%，因此，反馈到变电所的峰值功率约为3764 kW，制动能量约为13.6 kW·h。
1.2 储能装置设计
根据列车制动计算的数据，储能装置的功率可确定为4000 kW，超级电容组的储能不低于14 kW·h。
斩波器的主电路采用交错并联的Buck-Boost电路拓扑，超级电容充电时由上管的IGBT和下管的反并联二极管构成降压斩波电路，超级电容放电时由下管的IGBT和上管的反并联二极管构成升压斩波电路，多支路交错并联可以有效降低总输出电流的纹波系数。
图2 斩波器主电路拓扑
牵引网工作电压范围为1500～1800 V，因此超级电容组的充放电电压可选择为600～1200 V，采用标准的48 V/165 F超级电容模组，超级电容模组的串联数为N=1200/48=25，为了确保电容组工作安全、留取一定的设计余量，可选择26只超级电容模组串联。
超级电容吸收的总能量为14 kW·h，因此电容容值为C=2E/，电容的并联数为M=(93.3×26)/165=14.7，可选择15只电容并联。
1.3 控制策略
储能装置与整流机组、列车共同组成了电源-负荷系统，储能装置应选择合适的控制策略，确保：①列车制动时，储能装置为超级电容组充电、同时整流机组退出运行；②列车牵引时，储能装置将超级电容组中的电能释放出来、与整流机组共同为列车提供牵引能量。避免发生储能装置从整流机组抽取能量，或超级电容组的能量未及时释放而导致列车再次制动时无法吸收再生能量。
建立列车、整流机组和储能装置的电气模型，如图3所示。整流机组的模型为电压源与电阻的串联，考虑到整流器仅具备单向变流能力，模型中需要串入二极管以防止整流机组电流反向，Ud0为整流机组的空载电压，Rd0为等效内阻。列车的模型为功率源，功率的大小由列车的运行状态决定，根据牵引计算过程得到。储能装置的模型为电压源，Uc为稳压值，当超级电容充电时稳压值需高于空载电压且低于系统允许最高电压，当超级电容放电时稳压值需低于空载电压且高于系统允许最低电压。Rline为牵引网的线路电阻，由单位长度阻抗和线路长度决定。
图3 储能系统的模型
储能装置的控制特性需考虑与整流机组和列车的配合，如图4所示，CD段为整流机组外特性曲线，ABC段为储能装置充电特性曲线、DE段为放电特性曲线。
图4 储能系统的控制特性曲线
Ud0为整流机组的空载电压，通常为1650 V；Uinv为储能装置吸收能量时的稳压值，为了优先保证车辆之间的互相吸收，可设置为1700～1800 V；Urec为储能装置释放能量时的稳压值，可设置为1600～1500 V。
2 试验验证
由于试验条件的限制，利用容量为500 kW的PWM整流器作为列车模拟源，测试储能装置的充放电特性，试验波形如图5所示。PWM整流器设定为功率源特性，以发出500 kW功率模拟列车制动工况，储能装置检测到直流电压升高到1700 V时进入降压斩波模式，超级电容的电压从初始电压600 V充电至1200 V；再以吸收500 kW功率模拟列车牵引工况，储能装置检测到直流电压降低到1500 V时进入升压斩波模式，超级电容的电压从初始1200 V放电至600 V。
图5 充放电波形
3 结论
本文研究了应用于城市轨道交通供电系统的超级电容储能型节能设备的容量配置问题，确定了储能装置的功率和电量；设计了交错并联的双向斩波电路和超级电容组的串并联方案；在对列车、整流机组和储能装置建模的基础上设计了储能装置的控制策略；最后通过模拟列车的牵引/制动试验研制了超级电容的充放电特性，试验结果表明了方案的可行性。本文的研究对超级电容储能型节能设备在轨道交通工程中的应用具有一定的工程指导价值。
引用本文： 赵正一,俞葆青,孔德卿等.城轨超级电容储能的容量配置和控制策略研究[J].储能科学与技术,2020,09(05):1558-1561.
ZHAO Zhengyi,YU Baoqing,KONG Deqing,et al.Research on capacity configuration and control strategy of the super capacitor energy storage device for rail transit[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(05):1558-1561.
第一作者：赵正一（1988—），男，硕士，工程师，研究方向为大功率电力电子装置控制策略，E-mail：zhzhyi052@163.com。
