地铁制动能量回收超级电容储能系统 实例设计

C01
C11
B S1b
1500V-
R1
R2
C02
C02
C0n
C0n
B
图三，BUCK-BOOST 超级电容储能系统
A
T itle
A
工作流程简述：合闸后，检测弓网电压，若超过
1680V
开始触发导通
S ize
Number
Q1
对电容阵列进 Rev isio n
行充电，全程控制超级电容的最高电压如 1800V 和最大充电电DAa流te: 如2-M2ar0-200101 A，若检测电Sh压eet o超f
深圳市通业科技发展有限公司 谭诗干 E-mail: guntank@tom.com
样假设每只超级电容器的放电功率为 Pc ，则 Pc = u(t) ⋅ i(t) 。超级电容器阵列总的放电功率 Parray 可以表达为：
n Parray = n ⋅ u(t) ⋅ m ⋅ i(t) = k ⋅ u(t) ⋅ k ⋅ m ⋅ i(t) = n ⋅ m ⋅ Pc
（1）
由上式不难看出，当储能阵列的超级电容器个数确定后，每只超级电容器的功率输出贡 献相同。若并联支路增加 k 倍，则相应的串联支路减小 k 倍，结果并不影响每支超级电容器 上的电压、电流值的变化。但此时超级电容器的串并联组合形式却使超级电容器储能阵列整 体表现出电压减小 k 倍，电流增加 k 倍。
从地铁运营的客观现在出发，建议实地测量统计列车制动回馈电能或实地现场测量统计 电阻发热状况 2 种方法进行：
实测列车制动回馈电能
通过牵引系统监控平台记录、下载单次制动能量，取多次做统计平均。采集采样 要求：不同站点、不同车辆、不同时段分别测量，再做统计平均，得出最大与平均每 次的能量回馈。
通过本方法统计计算的容量是单列车运行的最大能量，实际运行时，由于多列车 辆同时在一条线路运行，部分制动回馈的能量将流回到其它牵引中的车辆中，因此实
超级电容器作为一种新型的储能器件，具有充放电速度快的特点，可以自由组成高电压 大电流大容量的电容器阵列来存储列车的制动能量。随着材料和工艺的不断提升，超级电容 的容量与可靠性得到显著提高，成本却不断降低，已经开始受到专家学者和企业的强烈关注， 在国外已经实际应用于轨道交通再生制动能量回收存储系统中。西门子公司 2000 年开始研 发超级电容器的制动储能技术，2001 年研制的样机在科隆试运行，产品化的 SITRAS 能量 回收系统 2002 年首次在西班牙马德里地铁投入使用，图 1 所示为西门子 SITRAS 系统工作 原理示意图。目前，西门子基于超级电容器的 SITRAS 能量回收系统已经在许多国家的轨道 交通线路上得到了应用，北京地铁 5 号线就使用了该系统。使用西门子 SITRAS 能量回收系 统前后，地铁运营的电力消耗能明显降低，在夏天站段的空调系统负荷也有所下降。此外， 加拿大的庞巴迪公司也推出了基于超级电容器的能量回收系统 MITRIC，并在其国内投入使 用。目前，在国内厂商尚未提供有应用于地铁制动能量回馈吸收的超级电容器储能系统产品。
图 1 西门子 SITRAS 系统工作原理示意图
2. 基于超级电容器的再生制动能量吸收利用系统 2.1. 系统示意图
图 2 为基于超级电容器的轨道交通再生制动能量吸收利用系统示意图，该再生制动能量 吸收利用系统包括双向直流变换器和超级电容器储能系统两部分，并接在地铁列车的直流供 电母线上。该再生制动能量吸收利用系统既可以安装于地铁列车上，也可以安装于变电站内。 当地铁列车制动时，直流母线电压上升，双向直流变换器向超级电容器阵列充电，超级电容 器阵列吸收制动能量；当地铁列车启动时，直流母线电压下降，超级电容器阵列存储的能量 通过双向直流变换器释放能量。
再生制动能量吸收利用系统
双向 直流变换器
超级电容器 储能系统
交流电网
直流母线
地铁 列车
图 2 基于超级电容器的轨道交通再生制动能量吸收利用系统示意图
2.2. 超级电容器储能阵列
超级电容器储能系统是一个由若干个超级电容器经串、并联连接而成的超级电容器阵 列。储能阵列中超级电容器的个数由待存储能量的多少来决定。在确定了超级电容器储能阵 列需要的超级电容器单体个数后，超级电容器的串并联组合方式不影响储能阵列的释能效 率。对于由 n 个超级电容器串联、m 个超级电容器并联组成的 n×m 超级电容器阵列，假设 超级电容器储能阵列的放电功率为 Parray ，其中储能阵列的端电压为 n ⋅u(t) 电流为 m ⋅ i(t) ，同
通过实际测量已有系统的方法获得的容量数据是最为准确的。当然实际设计时需 考虑以后线路车辆班次、频次调度的变化而带来影响，需考虑预留适当的余量空间。
2.2.2. 超级电容储能系统的布局
参照原来电阻耗能装置的布局模式一一配合，与电网配电站配合使用。这样一来，一条 线路上将存在多台相对独立又并行工作的超级电容储能系统。并行，是指所有系统之间并联 在一条线路网上，网压的波动及装置的运行必然是关联的；说独立，是指因考虑到电网线路 的阻抗因素，不同区段因列车负载的动态不同，电压存在局部的波动，局部电压高时该区域 的系统将优先动作。
表 1 国内外厂商超级电容器参数
锦州百纳
电容量/电压 （F/V）
等效串联 电阻
（mΩ）
额定电流/ 峰值电流
（A）
漏电流 （mA）
长×宽×高 （mm）
3500F/2.7V
0.25
781/2305
8
160×60×52
北京集星
2400F/2.7V
1.15
424/890
12
160×60×56
韩国 NESS 3500F/2.7V
2.2.1. 超级电容器储能阵列容量计算
超级电容器储能阵列的容量计算可以有很多依据。在混合动力汽车中，超级电容器阵列 的设计目标是处理功率尖峰，保证发动机或者燃料电池在最佳工作点附近工作。使用超级电 容器之后，就可以按照平均功率来设计发动机或燃料电池，从而减小了发动机或燃料电池的 体积。在此种情况下，应该确保超级电容器阵列可以存储足够的能量满足峰值功率的需求。
2.2.3. 超级电容器的常用型号，厂商现状
选择超级电容器产品应综合考虑等效串联电阻、漏电流和体积等因素。表 1 为一些国内 外厂商的超级电容器的关键参数。超级电容器的等效串联电阻（ESR）越小，它的充放电效 率越高，同时充放电过程产生的热量也越小，有利于散热。漏电流是超级电容器电荷保持能 力的标志，需要尽可能低的漏电流。
在目前倡导环保节能生产、低碳绿色生活的时代下，上述的能源与资源消耗是不合时宜 的。为了降低能耗、节约能源、降低运营成本，轨道交通再生制动能量的回馈吸收利用成为 近年来研究的热点。其目的在于设法将列车制动能量吸收并存储起来，当需要的时候再将吸 收存储的能量释放出来，提高供电电能的利用率并减少能量的浪费。目前，比较成熟并且有 商业应用的轨道交通再生制动能量回馈吸收利用技术主要包括飞轮储能技术和超级电容器 储能技术。而飞轮技术系统复杂庞大，配置不灵活，控制难度高，成本高，推广难度较大。 还有，曾有人提出的并网式逆变馈能系统，在地铁这样的系统中，因制动持续时间短、瞬时 功率大（一般为牵引功率的 1~3 倍），成本太昂贵、可靠性不够高，收益不成比，难以商业 运营。
因此，超级电容器储能阵列的串、并联设计，可以从有利于双向直流变换器工作的角度 进行优化。在输出功率一定时，如果储能阵列的超级电容器串联个数过多，则双向直流变换 器的功率开关器件承受的电压应力较大，所选器件的电压等级较高；如果超级电容器并联个 数较多，则开关器件的电压应力降低，但流过开关管的电流较大，线路阻抗及开关器件的导 通损耗都会相应增大。所以在设计超级电容器储能阵列时，要考虑实际应用，灵活确定储能 阵列中超级电容器的串、并联个数。
际需要的容量要小得多，需要参考线路车辆的运行状况进行测算，以获得最佳投入收 益比率。
利用现场统计原有能耗系统耗能
利用原有系统如传统电阻耗能释放装置，在该处进行测量，若已配置有能耗记录 则直接记录，否则可安装电表装置记录。采集采样要求：不同区域、不同时间多次测 量，再做统计平均，得出最大及平均的能量消耗。
因此，为了充分利用超级电容的容量，我们所设计的电控系统，将不采用水池直接流 动模式的储能系统，而是利用现代先进的电力电子技术，采用双向可强制控制的的直流变 换系统设计，采用 BOOST-BUCK 的双向直流变换器设计。拓扑电路如下图：
C
S1a
T1
L1A
Q1
L2
C
1500V+
Q3
S2
R1
+ C1
Q2
在地铁或轻轨中，不存在所谓的最佳工作点，使用超级电容器储能阵列的目的在于吸收 列车制动时回馈的部分能量（该部分能量原来是消耗在电阻上，无需被其他车辆吸收的部 分），并且，从实用经济的角度，该部分能量也不一定需要保证全部吸收，极端情况下仍可 考虑由电阻消耗补充，保持网压正常。因此，要求设计实用的超级电容器阵列能储存值，需 要进行实地统计与评估。
0.45
700/1718
14
165×60×52
超级电容器的体积也是实际应用中必须考虑的问题，除了考虑以上参数还要选择体积适 当的超级电容器，尽可能少的占用设备空间。下图为由 42 只超级电容组成的串、并联阵列 单元。
2.3. 双向直流变换器的设计选择
在采用超级电容的储能系统中，因要求储能的能量巨大，厂要求配置的超级电容阵列
F ile:
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Drawn By:
过 18001时，开通 Q3 通过电阻释放2能量；当电压小于 1650V 时3，延时几秒触发 PWM 波控4
制 Q2 对超级电容进行放电，直到放电电压终止时。
3. 小结
作为一种新型的储能器件，利用超级电容及领先的功率变化电路组成的储能系统，具有 功率密度高、充放电速度快、安全寿命长等优点，用于轨道交通再生制动能量回馈利用系统 中的储能单元，具有实实在在的经济效益。而在提倡节能减排、加快发展新能源的今天，该 类项目的研制与市场发展也将会得到社会的积极认可和支持。谢谢！
而采用 BOOST-BUCK 电路的储能电控系统中，在非制动工况时，超级电容理论上可 完全放电，在制动时，超级电容的储能电压变化从 0V——>1800V，容量利用率 100%，理 论上前后相差近 5 倍，实际控制使用时也可轻松达 4 倍。这样一来，吸收等同的制动能量， 对超级电容的容量、体积、成本将节省 3/4，尽管电控成本提高，但系统综合成本大大降低， 有利于推广应用。
1. 引言
地铁制动能回收——超级电容储能系统ຫໍສະໝຸດ Baidu
地铁作为一种大运量、高密度的交通工具在城市公共交通中扮演着越来越重要的角色， 国外领先发展，国内近几年也密集上马，北京、广州、上海等城市早已形成了网络布局，趋 于成熟，深圳、杭州、武汉、宁波等更多城市也陆续开通初具规模。
而作为一种城市交通工具，地铁列车在运行过程中，由于站间距离较短，列车启动、制 动频繁，制动能量是相当可观的，地铁再生制动产生的回馈到电网的能量一般为输入牵引能 量的 30％甚至更多。而电网供电是单向的，本身并不具备能量存储功能，回馈的能量，一 部分由同线路列车之间相互吸收，另一部分传统的做法是必须通过电阻装置释放，以供电电 网网压过高，这样一来，部分制动回馈的电能通过电阻而消耗，电能转变成热能向四周散发， 带来一系列连锁反应：制动能通过电阻发热的方式白白浪费——>隧道和站台内的温升问题 ——>增加了站内空调系统的负担——>造成更多的能源浪费——>并使地铁的建设费用和 运行费用增加。
容量、数量、质量体积都很大，初步估算，适用于地铁制动的这样一个储能系统，超级电
容器阵列还比较庞大，占比质量体积、成本将是系统的最主要部分。由储能公式：
E[max]
=
1 2
C
(U
2 0
−
uc2 (t))
电容储能容量的利用率取决于充放电前后的电压变化。在简单控制水池直接流动模式 下，例如：列车制动时电压由 1600V--->1800V 变化，超级电容进行储能；非制动运行时电 压由 1800V--->1600V 变化，超级电容进行放电，此时超级电容的容量利用率： （1800*1800-1600*1600）/1800*1800=21%。