摘  要： 以超級電容為唯一動力來源，以研究適用于輕軌交通車輛的儲能式牽引系統(tǒng)為目的，設(shè)計了電力牽引系統(tǒng)的牽引制動特性。該牽引系統(tǒng)以超級電容單體串聯(lián)用于系統(tǒng)的供電，從而驅(qū)動逆變器和電機(jī)轉(zhuǎn)動；通過手柄控制牽引、惰行與制動工況，分別設(shè)定對應(yīng)的特性曲線。在Matlab/Simulink環(huán)境下，仿真線路的運(yùn)行狀況，輸出儲能電源的電流、電壓、耗電量等。實(shí)驗(yàn)表明，以超級電容器作為牽引動力電源的驅(qū)動方式，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%，再生制動時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；超級電容；Matlab仿真；儲能式；牽引；制動

    通過儲能技術(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器件，是解決和改善電力性能應(yīng)用的突破性元器件。超級電容具有優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)，是理想的高功率儲能器件，非常適用于作為城市軌道交通車輛的能源動力。
    國內(nèi)外對于超級電容作為儲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)的地面超級電容儲能裝置[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)的車載超級電容儲能裝置[3]，都是從節(jié)能的角度出發(fā)，通過車載超級電容器實(shí)現(xiàn)制動能量回收以及應(yīng)急情況下利用超級電容器中儲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日成功下線儲能式電力牽引輕軌車輛原型車，這是世界上首臺采用超級電容作為主動力能源的輕軌車輛，可以實(shí)現(xiàn)全線無接觸網(wǎng)運(yùn)營，具有開創(chuàng)性的價值。
    新型儲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電容儲能的特點(diǎn)，研究適用于輕軌交通的儲能式牽引系統(tǒng)，要從系統(tǒng)的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計。本文以超級電容器作為唯一動力電源，探索適用于此牽引系統(tǒng)的牽引、制動特性，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證性計算仿真分析。
1 電力牽引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
    儲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)完成儲能系統(tǒng)充電，一次充電后能連續(xù)行駛到達(dá)下一個站臺后再行充電，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，通過超級電容放電為車輛提供動力電能；在電制動（減速）工況時，超級電容可將車輛的動能轉(zhuǎn)化為電能吸收并儲存，以備再利用；停站時，利用上下客的短暫時間，對超級電容快速充電，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代表超級電容器組[5]。

    圖2中，儲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機(jī)。手柄信號主要分為牽引、惰行與制動，分別設(shè)定有對應(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)信號的選擇。中間轉(zhuǎn)動裝置主要包括逆變器損耗、電機(jī)損耗、傳動裝置損耗、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)行計算，運(yùn)行距離通過對列車運(yùn)行速度積分得到。電源的耗電量通過對電源功率積分得到。
2 輕軌車輛的牽引仿真計算
    軌道車輛牽引仿真計算的主要任務(wù)是對車輛在運(yùn)行過程中的速度、距離、電流、功率和時間之間的關(guān)系進(jìn)行計算機(jī)仿真分析，并繪制相應(yīng)的特性曲線。在仿真計算過程中涉及到列車的牽引特性、制動特性、列車運(yùn)行中的工況選取、限速、制動距離及算法的穩(wěn)定性等諸多問題[7]。
    由于超級電容輕軌車輛的編組少，列車長度較短，在牽引計算中，可將整個動車組看作一個單質(zhì)點(diǎn)的動力學(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、阻力和制動力[8]。下面根據(jù)具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，假定列車編組為兩動一拖，每節(jié)動車自重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，列車起動加速度為1 m/s2，最大制動加速度為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，傳動比7.69，動輪直徑0.84 m。儲能電源由576節(jié)超級電容器單體串聯(lián)構(gòu)成，最高工作電壓864 V，最低工作電壓576 V。
    起動加速度為列車起動過程中速度從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特性曲線，如圖4所示。

    在仿真過程中，儲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)外裝有儲能系統(tǒng)的輕軌或地鐵列車再生制動的能量是牽引能量的30%左右。但是，再生制動也有限制條件，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，則會使網(wǎng)壓提高或者只能通過制動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，如廣州地鐵一號線的行車間隔為360 s～420 s時，其吸收利用率僅為10%。
    采用超級電容作為電源，從耗電量變化圖（圖7）中可以看出，耗電量只有22%，而且再生制動的能量回收在車輛自身的制動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。
    本文以超級電容器作為車輛運(yùn)行的唯一動力來源，根據(jù)中小運(yùn)量軌道交通車輛的特點(diǎn)，設(shè)計了電力牽引系統(tǒng)的牽引、制動特性，并在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，以超級電容器作為牽引動力電源的驅(qū)動方式，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，再生制動時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?，F(xiàn)階段只是進(jìn)行理論驗(yàn)證，后續(xù)研究還會依據(jù)不同線路條件、不同列車編組，對超級電容器組件及其管理系統(tǒng)以及牽引制動特性進(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。
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