摘 要： 以超級(jí)電容為唯一動(dòng)力來源，以研究適用于輕軌交通車輛的儲(chǔ)能式牽引系統(tǒng)為目的，設(shè)計(jì)了電力牽引系統(tǒng)的牽引制動(dòng)特性。該牽引系統(tǒng)以超級(jí)電容單體串聯(lián)用于系統(tǒng)的供電，從而驅(qū)動(dòng)逆變器和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；通過手柄控制牽引、惰行與制動(dòng)工況，分別設(shè)定對(duì)應(yīng)的特性曲線。在Matlab/Simulink環(huán)境下，仿真線路的運(yùn)行狀況，輸出儲(chǔ)能電源的電流、電壓、耗電量等。實(shí)驗(yàn)表明，以超級(jí)電容器作為牽引動(dòng)力電源的驅(qū)動(dòng)方式，完全滿足列車的運(yùn)行要求，并且在1 500 m平直道上運(yùn)行后的耗電量只有22%，再生制動(dòng)時(shí)的能量全部回饋吸收，可以實(shí)現(xiàn)能源的高效循環(huán)利用，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)輕軌車輛。
關(guān)鍵詞： 軌道交通；超級(jí)電容；Matlab仿真；儲(chǔ)能式；牽引；制動(dòng)
通過儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)軌道交通功能、性能、品質(zhì)的提升，是新世紀(jì)新能源政策指導(dǎo)下軌道電力牽引技術(shù)“綠色”策略的研究方向[1]。超級(jí)電容器是近年來發(fā)展迅速的一種新型的大容量的能量存儲(chǔ)器件，是解決和改善電力性能應(yīng)用的突破性元器件。超級(jí)電容具有優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)，是理想的高功率儲(chǔ)能器件，非常適用于作為城市軌道交通車輛的能源動(dòng)力。
國內(nèi)外對(duì)于超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置在城市軌道交通中的應(yīng)用研究，多是用于快速吸收再生制動(dòng)能量和瞬間峰值的補(bǔ)償，改善直流電網(wǎng)供電質(zhì)量。國外，西門子公司開發(fā)的地面超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置[2]以及龐巴迪運(yùn)輸部與德國曼海姆交通公司合作開發(fā)的車載超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置[3]，都是從節(jié)能的角度出發(fā)，通過車載超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收以及應(yīng)急情況下利用超級(jí)電容器中儲(chǔ)存的能量保持列車的運(yùn)行（路程有限），只能在部分線路上實(shí)現(xiàn)輕軌車的無接觸網(wǎng)運(yùn)行。國內(nèi)，南車株洲電力機(jī)車有限公司于2012年8月10日成功下線儲(chǔ)能式電力牽引輕軌車輛原型車，這是世界上首臺(tái)采用超級(jí)電容作為主動(dòng)力能源的輕軌車輛，可以實(shí)現(xiàn)全線無接觸網(wǎng)運(yùn)營，具有開創(chuàng)性的價(jià)值。
新型儲(chǔ)能式輕軌車輛的出現(xiàn)，引領(lǐng)著全線無供電網(wǎng)輕軌車輛的發(fā)展。如何更好地結(jié)合輕軌車輛電力牽引和超級(jí)電容儲(chǔ)能的特點(diǎn)，研究適用于輕軌交通的儲(chǔ)能式牽引系統(tǒng)，要從系統(tǒng)的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文以超級(jí)電容器作為唯一動(dòng)力電源，探索適用于此牽引系統(tǒng)的牽引、制動(dòng)特性，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證性計(jì)算仿真分析。
1 電力牽引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
儲(chǔ)能式輕軌車輛在車站內(nèi)由地面充電系統(tǒng)快速(30 s左右)完成儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，一次充電后能連續(xù)行駛到達(dá)下一個(gè)站臺(tái)后再行充電，周而復(fù)始，這為車輛的運(yùn)營帶來極大的便利。在牽引（加速）工況時(shí)，通過超級(jí)電容放電為車輛提供動(dòng)力電能；在電制動(dòng)（減速）工況時(shí)，超級(jí)電容可將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能吸收并儲(chǔ)存，以備再利用；停站時(shí)，利用上下客的短暫時(shí)間，對(duì)超級(jí)電容快速充電，從而保證車輛的無網(wǎng)連續(xù)運(yùn)營[4]。其工作原理如圖1所示，圖中SC代表超級(jí)電容器組[5]。
圖2中，儲(chǔ)能電源連接受控電壓源作為系統(tǒng)的供電模塊。逆變器模型選用三相橋式逆變器，采用IGBT元件作為工作器件。電機(jī)模型采用三相異步電動(dòng)機(jī)。手柄信號(hào)主要分為牽引、惰行與制動(dòng)，分別設(shè)定有對(duì)應(yīng)的特性曲線。弱磁控制主要在恒功率段開始引入，使其主磁通按照相應(yīng)的雙曲線規(guī)律開始變化。將定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)矩的指令值與實(shí)際值的差值在滯環(huán)比較器中比較，然后根據(jù)相應(yīng)的表格進(jìn)行逆變器開關(guān)信號(hào)的選擇。中間轉(zhuǎn)動(dòng)裝置主要包括逆變器損耗、電機(jī)損耗、傳動(dòng)裝置損耗、變速箱變比和轉(zhuǎn)矩的折算、列車質(zhì)量的折算等過程。阻力曲線包括基本阻力與附加阻力，均按照牽引計(jì)算規(guī)程來選取。電機(jī)輸出功率通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速相乘進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)行距離通過對(duì)列車運(yùn)行速度積分得到。電源的耗電量通過對(duì)電源功率積分得到。
2 輕軌車輛的牽引仿真計(jì)算
軌道車輛牽引仿真計(jì)算的主要任務(wù)是對(duì)車輛在運(yùn)行過程中的速度、距離、電流、功率和時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，并繪制相應(yīng)的特性曲線。在仿真計(jì)算過程中涉及到列車的牽引特性、制動(dòng)特性、列車運(yùn)行中的工況選取、限速、制動(dòng)距離及算法的穩(wěn)定性等諸多問題[7]。
由于超級(jí)電容輕軌車輛的編組少，列車長(zhǎng)度較短，在牽引計(jì)算中，可將整個(gè)動(dòng)車組看作一個(gè)單質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。列車在運(yùn)行過程中受到大小和方向不同的各種力的作用，此處只考慮與列車運(yùn)行速度有關(guān)的縱向力，即牽引力、阻力和制動(dòng)力[8]。下面根據(jù)具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，假定列車編組為兩動(dòng)一拖，每節(jié)動(dòng)車自重38 t，每節(jié)拖車自重34 t，每節(jié)車載荷310人，人均重0.06 t，車輛回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)為0.06，列車起動(dòng)加速度為1 m/s2，最大制動(dòng)加速度為1 m/s2，黏著系數(shù)為0.17。站間距為1.5 km，列車最高運(yùn)行速度為80 km/h。齒輪效率0.975，電機(jī)效率0.92，傳動(dòng)比7.69，動(dòng)輪直徑0.84 m。儲(chǔ)能電源由576節(jié)超級(jí)電容器單體串聯(lián)構(gòu)成，最高工作電壓864 V，最低工作電壓576 V。
起動(dòng)加速度為列車起動(dòng)過程中速度從0增加到恒轉(zhuǎn)矩最大速度之間的平均加速度，選擇36 km/h為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行和恒功率運(yùn)行的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
3 仿真結(jié)果分析
在Matlab/Simulink中進(jìn)行建模，仿真運(yùn)行后，得出的牽引特性曲線如圖3所示。
特征點(diǎn)參數(shù)：速度36 km/h處為恒功點(diǎn)，最大牽引力198.8 kN；58 km/h處為自然特性始點(diǎn)，牽引力123.4 kN；最高速度點(diǎn)80 km/h，牽引力64.9 kN。
同樣可以得出電氣制動(dòng)特性曲線，如圖4所示。
在仿真過程中，儲(chǔ)能電源部分以電流值作為輸入，電壓值作為輸出，連接受控電壓源模塊作為模型的供能。通過仿真運(yùn)行曲線可以看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓范圍在575 V～825 V之間，如圖6所示。滿足整車的額定工作電壓DC 750 V、工作電壓范圍DC 500 V～900 V的要求。
資料顯示，國內(nèi)外裝有儲(chǔ)能系統(tǒng)的輕軌或地鐵列車再生制動(dòng)的能量是牽引能量的30%左右。但是，再生制動(dòng)也有限制條件，即其所產(chǎn)生的能量需要由其他列車所吸收，如果能量得不到吸收，則會(huì)使網(wǎng)壓提高或者只能通過制動(dòng)電阻消耗這部分能量，從而導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。而其被吸收的量取決于列車的運(yùn)行密度，如廣州地鐵一號(hào)線的行車間隔為360 s～420 s時(shí)，其吸收利用率僅為10%。
采用超級(jí)電容作為電源，從耗電量變化圖（圖7）中可以看出，耗電量只有22%，而且再生制動(dòng)的能量回收在車輛自身的制動(dòng)過程中全部回饋吸收，不需要其他列車吸收，其能量的回收利用率高，從而可以節(jié)約能源的消耗，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)車輛。
本文以超級(jí)電容器作為車輛運(yùn)行的唯一動(dòng)力來源，根據(jù)中小運(yùn)量軌道交通車輛的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電力牽引系統(tǒng)的牽引、制動(dòng)特性，并在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，以超級(jí)電容器作為牽引動(dòng)力電源的驅(qū)動(dòng)方式，完全滿足列車的運(yùn)行要求，并且在1 500 m平直道上運(yùn)行后，再生制動(dòng)時(shí)的能量全部回饋吸收，從而可以節(jié)約能源的消耗，實(shí)現(xiàn)能源的高效循環(huán)利用，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)輕軌車輛。現(xiàn)階段只是進(jìn)行理論驗(yàn)證，后續(xù)研究還會(huì)依據(jù)不同線路條件、不同列車編組，對(duì)超級(jí)電容器組件及其管理系統(tǒng)以及牽引制動(dòng)特性進(jìn)行完善和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)完全無供電網(wǎng)條件下輕軌車輛的高效運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉友梅.軌道電力牽引新能源策略的思考[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2012，35(5)：1-4.
[2] ALLEGRE A L，BOUSCAYROL A，VERHILLE J N.Reduced-scale-power hardware-in-the-loop simulation of an innovative subway[J].Transactions on Industrial Electronics，2010，57(4)：1175-1185.
[3] AYAD M Y，BECHERIF M，HENNI A，et al.Sliding mode control and unit power factor applied to embarked supercapacitors for electrical train traction[C].IEEE International Symposium on Industrial Electronics，Bari：2010：334-339.
[4] 楊穎，陳中杰.儲(chǔ)能式電力牽引輕軌交通的研發(fā)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2012，35(5)：7-16.
[5] ALL?魬GRE A L，BOUSCAYROL A.Energy storage system with supercapacitor for an innovative subway[J].Transactions on Industrial Electronics，2010，57(12)：4001-4012.
[6] 梁海泉，謝維達(dá)，孫家南，等.超級(jí)電容器時(shí)變等效電路模型參數(shù)辨識(shí)與仿真[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，40(6)：949-954.
[7] 謝維達(dá).電力牽引與控制[M].北京：中國鐵道出版社，2010.
[8] 孫中央.列車牽引計(jì)算[M].北京：中國鐵道出版社，2011.