混合供电策略在储能式有轨电车的应用研究

徐兴龙

（广州有轨电车有限责任公司,广东 广州 510000）

近年来，储能式新型有轨电车蓬勃发展，已在多个城市投入运营。目前，储能式有轨电车供电模式主要有超级电容单独供电、赝电容供电以及超级电容和钛酸锂电池混合供电三种模式[1]。其中，超级电容和钛酸锂电池混合供电可以充分利用超级电容快充快放和钛酸锂电池安全续航的优点，不仅可以缩短线路充电站的建设周期，而且可以降低线路充电站的建设成本。

钛酸锂电池具有重量轻、体积小、寿命长、节能环保等优点，但其在轨道交通应用仍处于初级阶段[2]。该文针对间歇式充电的有轨电车线路，通过仿真计算提出一种基于超级电容和钛酸锂电池混合供电策略。

该文以某城市已开通运营有轨电车线路为例，线路长度14.4 km，共设19个站，其中充电站13个。

有轨电车为四模块编组的新型储能式有轨电车，编组方式为=Mc1+T++M+Mc2=。其中2个为带司机室的动力模块，1个不带司机室的动力模块，1个带受电器的拖车模块。整列车共4个转向架，3个动力转向架和1个拖车转向架。列车长36.6 m，宽2.65 m，最高运行速度70 km/h。列车AW1载客72人，AW2载客280人，AW3载客364人。车辆采用3台超级电容与1台钛酸锂电池（前端配置双向DC/DC）的混合供电方案。

车辆主要电气性能指标如表1所示。

表1 车辆主要电气性能指标

混合供电通过超级电容优先供电，当车辆续航需钛酸锂电池补充能量时，或超级电容电压低于一定值时，双向DC/DC开通，钛酸锂电池开始投入为车辆补充能量。制动工况再生能量优先反馈至超级电容，在大长下坡路段，双向DC/DC开通将再生制动能量或者超级电容的能量反馈给钛酸锂电池充电，如图1所示。

图1 双向DC/DC充放电原理

该方案综合利用超级电容放电倍率大但储存能量较少，钛酸锂电池放电倍率较小但储存能量大的特点，通过该混合供电方案以实现列车动力性能和储能增程的要求。

列车停靠在站台时，优先满足超级电容充电，再给钛酸锂电池充电。双向DC/DC开启给钛酸锂电池充电需同时满足如下条件：

（1）车辆为零速状态。

（2）车辆无牵引指令。

（3）受流器检测到输入电流＞50 A。

（4）超级电容充电到800 V。

列车停靠在站台时，关闭双向DC/DC，满足如下条件之一即可：

（1）车辆为非零速状态。

（2）收到牵引指令。

（3）钛酸锂电池充满电（由钛酸锂电池通过网络发送容量状态信息给DC/DC，网络故障时由DC/DC判断电压）。

3.1 正常工况下的仿真计算

列车超级电容为9 500 F单体电容，每个箱体有688个单体（2并344串），3个箱体可用电量10.104 kWh（考虑全寿命周期衰减20%，最高电压900 V），单组最大放电电流约为600 A。钛酸锂电池可用电量33 kWh。正常工况下，列车网络正常，仿真计算基于以下条件：

（1）载荷情况为 AW2载荷，车辆最高运行速度为70 km/h。

（2）车辆工作正常电压500～900 V，运行时储能系统输出电压不低于500 V。

（3）按照提供的线路条件，考虑到储能电源全寿命周期内20%的容量衰减，正常运行时储能电源最低放电电压为DC500 V。

（4）考虑路口停车、路口等待时间的影响。

（5）根据运行区段不同的弯曲半径信息，考虑了因弯曲半径过小而不得不采取限速措施的影响。

（6）根据超级电容电压的变化情况，考虑了锂电池择机投入使用的情况。

（7）为保证行车安全，路口要有一定的限速运行措施：因相邻路口间隔及路口自身长度的制约，部分路口最高限速由车辆的牵引及电制动性能确定，但不高于30 km/h。全路段所有路口最高运行时速30 km/h。

上行线辅助系统功率按照超级电容电压分级不减载，线路站间耗能统计见表2。

表2 上行线路区间能耗仿真计算

从仿真结果可知，列车运行时间为2 485.4 s，平均运行速度为20.67 km/h（不含首尾停站时间）。不考虑充电站停车时能耗，上行线车辆总能耗为99.21 kWh，其中牵引系统总能耗为63.4 kWh，辅助系统总能耗为35.33 kWh；
锂电池提供能耗为16.34 kWh，锂电池充电时间共需要199 s。若在站间给锂电池充电，可为锂电池补电时间累计180 s，充电14.8 kWh。终点站剩余45 s足以把锂电池充满。

下行线路辅助系统功率按照超级电容电压分级不减载，线路站间耗能统计见表3。

表3 下行线路区间能耗仿真计算

下行线路辅助系统功率按照超级电容电压分级不减载，车辆运行行时间为2 505.4 s，平均运行速度为20.51 km/h（不含首尾停站时间）。

辅助系统功率按照超级电容电压分级不减载，不考虑充电站停车时能耗，下行线车辆总能耗为94.5 kWh，其中牵引系统总能耗为58.9 kWh，辅助系统总能耗为35.6 kWh；
锂电池提供能耗为15.1 kWh，需要充电时间183 s。若在站间给锂电池充电，充电站可为锂电池充电时间累计188 s，补电15.1 kWh。

3.2 故障运行能力仿真计算

按照现有充电站设置，若任意充电站突发故障，故障时间不确定，即预先不知道充电站故障。为保证车辆能顺利运行到下一个正常充电站，实施以下控制。

（1）从故障充电站开始到下一个正常充电站，锂电池全程投入。

（2）正常情况下，交流负载为0 kW，直流负载为9.21 kW，单台客室空调的功率为18.43 kW，单台司机室空调的功率为2.12 kW，辅助负载共51.16 kW；
当充电站故障后，从故障充电站开始辅助负载功率按以下控制适当降载：交流负载为0 kW，直流负载为9.21 kW，单台客室空调的功率为8.26 kW，单台司机室空调的功率为2.12 kW，辅助负载共30.82 kW。

（3）从故障充电站开始，车辆进行限速。

（4）该次仿真计算分别选取上行线路及下行线路条件最恶劣的区间（锂电池投入最大）的充电站和终点站充电站故障进行仿真。

上行线路线坑站充电站故障退出运行，在线坑站开始进行限速，限速28 km/h可以运行到下一个充电站（会议中心站）。仿真计算数据如表4。

表4 上行区间充电站故障能耗仿真计算

上行终点站新丰路站故障退出运行，在新丰站开始进行限速，限速40 km/h可以运行到下一个充电站（贤江公园）。仿真数据如表5。

表5 上行区间终点站充电站故障能耗仿真计算

下行线路贤江公园充电站故障退出运行仿真，在贤江公园开始进行限速，限速45 km/h可以运行到下一个充电站（岭头东站）。区间仿真数据如表6。

表6 下行区间充电站故障能耗仿真计算

下行线路终点站（香雪站）故障退出运行仿真，在香雪站开始进行限速，限速32 km/h可以运行到下一个充电站（线坑站）。区间仿真数据如表7。

表7 下行区间终点站充电站故障能耗仿真计算

从线路仿真计算可知，按照现有13个充电站设置，车辆正常限速70 km/h，终点站充电时间90 s，考虑停站期间和终点站给锂电池充电，上行和下行在终点站都能把锂电池充满。当某一充电站故障后，从故障充电站开始到下一个正常充电站，空调功率减载50%，限速28 km/h能运行到下一个正常充电站。

该文针对城市混合供电储能式有轨电车工况，设计了储能式现代有轨电车混合供电系统方案，并对储能系统运行能力进行评估，说明超级电容和钛酸锂电池系统配置方案可以满足车辆运营需求。该方案充分利用超级电容快充快放和钛酸锂电池安全续航的优点，不仅可以缩短线路充电站的建设周期，而且可以降低线路充电站的建设成本。