车载超级电容地铁列车的节能策略探析

车载超级电容地铁列车的节能策略探析
地铁列车在运行过程中，需要大量的电能维持，因此，使用车载超级电容吸收和二次利用列车制动过程中产生的电能成为人们关注的重点。

基于此，本文首先对地铁列车和车载超级电容进行建模，从完全吸收制动能量的车载超级电容节能策略、减小电网峰值电流的超级电容节能策略等方面论述了车载超级电容地铁列车的节能策略。

标签：车载超级电容;地铁列车;节能
1 地铁列车和车载超级电容的建模
1.1 列车运行路线模型的建立
在对地铁列车运行路线进行建模过程中，由于地铁列车在牵引模式下，其电气系统内部的牵引逆变器会在较高频率下进行开关工作。

如果单纯的分析牵引逆变器的关断和开通过程，那么仿真程序中地铁列车的运行速度是很难提高的。

可以认为在分析地铁列车能耗过程中，不需要考虑其仿真模型的开关状态。

因此，在建立列车运行线路模型过程中，应用功率流建模是最佳的方式，牵引网的线路应用可变电阻，这样就可以对地铁列车行驶过程中，其距离变化和牵引网压之间的关系进行模拟。

除此之外，列车应用受控电流源对列车的制动电流和列车牵引进行模拟，并且设定启动制动电阻时，电网电压为1800V。

1.2 车载超级电容模型的建立
车载超级电容中的储能装置构成部分主要有两方面：其一是双向DC-DC变换器（能量变换装置）;其二是车载超级电容组。

控制能量变换装置和控制地铁列车中的牵引逆变器是两个完全独立的环节。

因此原有地铁列车节能控制策略不变的情况下，车载超级电容中的储能系统就可以安装在列车中，并且使用。

在对车载超级电容进行建模过程中，所需要的参数有电容值、额定电压、等效串联电阻、功率密度、质量、电流峰值。

牵引網在空载时设定其电压为1500V，能量变换装置的升压比设定为3，将最大放电深度设定为50%，工作范围设定为500-1000V，然后在将8个超级电容模块串联在一起，使其形成一个回路。

这样便完成了车载超级电容的建模。

2 车载超级电容地铁列车的节能策略
2.1 完全吸收制动能量的车载超级电容节能控制
在地铁列车制动过程中，会回馈大部分电能，因此，要充分利用车载超级电容储能装置中吸收的制动能量。

在地铁列车加速过程中，将制动时回馈的电能释放出来，为牵引列车提供能量，从而达到车载超级电容地铁列车的节能策略。

例如：在某地铁列车节能控制仿真过程中，设定车载超级电容的启动条件为地铁列车输送功率为1.5MW时，列车的最高速度为80km/h，地铁列车途径两站之间的距离为1500m，分别对空载、额定荷载、超载等三种情况进行列车运行仿真。

仿真结果为：（1）无超级电容时，空载的电网峰值电流为2300A，额定荷载的电网峰值电流为3521A，超载的电网峰值电流为4000A;空载的电网总耗能为24.51kWh，额定荷载的电网总耗能为35.94kWh，超载的电网总耗能为40.39kWh;空载的电网吸收电能为24.16kWh，额定荷载的电网吸收电能为35.17kWh，超载的电网吸收电能为39.31kWh;空载的回馈电能为11.18kWh，额定荷载的回馈电能为15.98kWh，超载的回馈电能为17.66kWh;（2）车载超级电容的仿真数据是空载的电网峰值电流为2283.8A，额定荷载的电网峰值电流为3521A，超载的电网峰值电流为4000A;空载的电网总耗能为23.07kWh，额定荷载的电网总耗能为34.55kWh，超载的电网总耗能为38.94kWh;空载的电网吸收电能为22.78kWh，额定荷载的电网吸收电能为33.81kWh，超载的电网吸收电能为37.89kWh;空载的回馈电能为11.23kWh，额定荷载的回馈电能为16.05kWh，超载的回馈电能为17.72kWh。

由上述结果可知，在没有超级电容时，电网的总耗能为40.39kWh，列车的牵引能耗为39.31kWh;在加入车载超级电容之后，电网的总耗能为38.94kWh，列车的牵引能耗为37.89kWh，能耗下降了大约10%，这仅仅是一辆地铁列车的仿真结果，所以完全吸收制动能量的车载超级电容节能控制是非常有效的。

2.2 减小电网峰值电流中的超级电容节能控制
由于超级车载电容对于启动条件要求比较苛刻，而完全吸收制动能量的车载超级电容节能控制虽然能够回收并且二次利用列车的制动能量。

但是当地铁列车所需功率逐渐增大时，车载超级电容会因为达到极限放电深度而慢慢使电流减小，所以对减小电网峰值电流起的作用不大。

例如：将启动超级电容的条件设定为1.5MW，列车的最大速度为80km/h。

为了使电网峰值电流降低，从而达到地铁列车节能的目的，将启动超级电容的时间延迟，以此来确保当列车功率达到最大时，超级电容有足够大的电流。

考虑到超级电容在容量百分比为0.25时就会提前将放电电流降低，因此，此时将超级电容储能装置中的电能充分利用，对地铁列车的辅助系统进行供电，然后对车载超级电容中剩余能量进行二次利用，使腾出来的容量能够将列车下次制动时回馈的电能储存起来。

在进行能量利用过程中，随着启动车载超级电容时间的不同，接触网牵引的峰值电流减小的程度也是不同的。

但是不论什么时间启动车载超级电容，电网峰值电流下降的都是非常明显的。

因此地铁列车安装车载超级电容能够最大限度的降低电网峰值电流，从而提高地铁列车的节能效率。

3 结论
综上所述，车载超级电容在地铁列车中的应用，能够提高其节能能力。

经过上文分析可得，在仿真过程中，完全吸收制动能量的车载超级电容节能策略，其能耗至少降低了10%，提高了地铁列车的节能效率;减小电网峰值电流中的超级电容节能策略，主要是以降低电网峰值电流，控制其功率输出为主，以此来提高
节能能力。

因此，将车载超级电容应用在地铁列车中非常重要。

参考文献：
[1]陈军，邓木生.车载超级电容在地铁制动回收能量中的应用[J].湖南工业大学学报，2018，32（04）：28-32.
[2]张明锐，张海龙，唐贾言，钟建辉.超级电容有轨电车的牵引供电系统仿真计算软件开发与应用[J].城市轨道交通研究，2017，20（11）：64-68.。