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為目的，設計了電力牽引系統的牽引制動特性。該牽引系統以超級電容單體串聯用于系統的供電，從而驅動逆變器和電機轉動；通過手柄控制牽引、惰行與制動工況，分別設定對應的特性曲線。在Matlab/Simulink環境下，仿真線路的運行狀況，輸出儲能電源的電流、電壓、耗電量等。實驗表明，以超級電容器作為牽引動力電源的驅動方式，完全滿足列車的運行要求，并且在1 500 m平直道上運行后的耗電量只有22%，再生制動時的能量全部回饋吸收，可以實現能源的高效循環利用，明顯優于傳統輕軌車輛。
關鍵詞： 軌道交通；超級電容；Matlab仿真；儲能式；牽引；制動
通過儲能技術的應用，實現軌道交通功能、性能、品質的提升，是新世紀新能源政策指導下軌道電力牽引技術“綠色”策略的研究方向[1]。超級電容器是近年來發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用的突破性元器件。超級電容具有優良的技術指標，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。
國內外對于超級電容作為儲能裝置在城市軌道交通中的應用研究，多是用于快速吸收再生制動能量和瞬間峰值的補償，改善直流電網供電質量。國外，西門子公司開發的地面超級電容儲能裝置[2]以及龐巴迪運輸部與德國曼海姆交通公司合作開發的車載超級電容儲能裝置[3]，都是從節能的角度出發，通過車載超級電容器實現制動能量回收以及應急情況下利用超級電容器中儲存的能量保持列車的運行（路程有限），只能在部分線路上實現輕軌車的無接觸網運行。國內，南車株洲電力機車有限公司于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，可以實現全線無接觸網運營，具有開創性的價值。
新型儲能式輕軌車輛的出現，引領著全線無供電網輕軌車輛的發展。如何更好地結合輕軌車輛電力牽引和超級電容儲能的特點，研究適用于輕軌交通的儲能式牽引系統，要從系統的角度出發進行設計。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的牽引、制動特性，并進行實驗室驗證性計算仿真分析。
1 電力牽引系統的結構設計
儲能式輕軌車輛在車站內由地面充電系統快速(30 s左右)完成儲能系統充電，一次充電后能連續行駛到達下一個站臺后再行充電，周而復始，這為車輛的運營帶來極大的便利。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連續運營[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。電機模型采用三相異步電動機。手柄信號主要分為牽引、惰行與制動，分別設定有對應的特性曲線。弱磁控制主要在恒功率段開始引入，使其主磁通按照相應的雙曲線規律開始變化。將定子磁鏈幅值、轉矩的指令值與實際值的差值在滯環比較器中比較，然后根據相應的表格進行逆變器開關信號的選擇。中間轉動裝置主要包括逆變器損耗、電機損耗、傳動裝置損耗、變速箱變比和轉矩的折算、列車質量的折算等過程。阻力曲線包括基本阻力與附加阻力，均按照牽引計算規程來選取。電機輸出功率通過轉矩轉速相乘進行計算，運行距離通過對列車運行速度積分得到。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是對車輛在運行過程中的速度、距離、電流、功率和時間之間的關系進行計算機仿真分析，并繪制相應的特性曲線。在仿真計算過程中涉及到列車的牽引特性、制動特性、列車運行中的工況選取、限速、制動距離及算法的穩定性等諸多問題[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點的動力學系統。列車在運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行速度有關的縱向力，即牽引力、阻力和制動力[8]。下面根據具體的數據進行計算，假定列車編組為兩動一拖，每節動車自重38 t，每節拖車自重34 t，每節車載荷310人，人均重0.06 t，車輛回轉質量系數為0.06，列車起動加速度為1 m/s2，最大制動加速度為1 m/s2，黏著系數為0.17。站間距為1.5 km，列車最高運行速度為80 km/h。齒輪效率0.975，電機效率0.92，傳動比7.69，動輪直徑0.84 m。儲能電源由576節超級電容器單體串聯構成，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增加到恒轉矩最大速度之間的平均加速度，選擇36 km/h為恒轉矩運行和恒功率運行的轉折點。
3 仿真結果分析
在Matlab/Simulink中進行建模，仿真運行后，得出的牽引特性曲線如圖3所示。
特征點參數：速度36 km/h處為恒功點，最大牽引力198.8 kN；58 km/h處為自然特性始點，牽引力123.4 kN；最高速度點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。通過仿真運行曲線可以看出，儲能系統的電壓范圍在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，國內外裝有儲能系統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，則會使網壓提高或者只能通過制動電阻消耗這部分能量，從而導致能源的浪費。而其被吸收的量取決于列車的運行密度，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，從而可以節約能源的消耗，明顯優于傳統車輛。
本文以超級電容器作為車輛運行的唯一動力來源，根據中小運量軌道交通車輛的特點，設計了電力牽引系統的牽引、制動特性，并在Matlab/Simulink環境下進行了仿真實驗。實驗表明，以超級電容器作為牽引動力電源的驅動方式，完全滿足列車的運行要求，并且在1 500 m平直道上運行后，再生制動時的能量全部回饋吸收，從而可以節約能源的消耗，實現能源的高效循環利用，明顯優于傳統輕軌車輛。現階段只是進行理論驗證，后續研究還會依據不同線路條件、不同列車編組，對超級電容器組件及其管理系統以及牽引制動特性進行完善和優化，以實現完全無供電網條件下輕軌車輛的高效運行。
參考文獻
[1] 劉友梅.軌道電力牽引新能源策略的思考[J].電力機車與城軌車輛，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.儲能式電力牽引輕軌交通的研發[J].電力機車與城軌車輛，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，孫家南，等.超級電容器時變等效電路模型參數辨識與仿真[J].同濟大學學報(自然科學版)，2012，40(6)：949-954.
[7] 謝維達.電力牽引與控制[M].北京：中國鐵道出版社，2010.
[8] 孫中央.列車牽引計算[M].北京：中國鐵道出版社，2011.