摘 要： 以超级电容为唯一动力来源，以研究适用于轻轨交通车辆的储能式牵引系统为目的，设计了电力牵引系统的牵引制动特性。该牵引系统以超级电容单体串联用于系统的供电，从而驱动逆变器和电机转动；通过手柄控制牵引、惰行与制动工况，分别设定对应的特性曲线。在Matlab/Simulink环境下，仿真线路的运行状况，输出储能电源的电流、电压、耗电量等。实验表明，以超级电容器作为牵引动力电源的驱动方式，完全满足列车的运行要求，并且在1 500 m平直道上运行后的耗电量只有22%，再生制动时的能量全部回馈吸收，可以实现能源的高效循环利用，明显优于传统轻轨车辆。
关键词： 轨道交通；超级电容；Matlab仿真；储能式；牵引；制动
通过储能技术的应用，实现轨道交通功能、性能、品质的提升，是新世纪新能源政策指导下轨道电力牵引技术“绿色”策略的研究方向[1]。超级电容器是近年来发展迅速的一种新型的大容量的能量存储器件，是解决和改善电力性能应用的突破性元器件。超级电容具有优良的技术指标，是理想的高功率储能器件，非常适用于作为城市轨道交通车辆的能源动力。
国内外对于超级电容作为储能装置在城市轨道交通中的应用研究，多是用于快速吸收再生制动能量和瞬间峰值的补偿，改善直流电网供电质量。国外，西门子公司开发的地面超级电容储能装置[2]以及庞巴迪运输部与德国曼海姆交通公司合作开发的车载超级电容储能装置[3]，都是从节能的角度出发，通过车载超级电容器实现制动能量回收以及应急情况下利用超级电容器中储存的能量保持列车的运行（路程有限），只能在部分线路上实现轻轨车的无接触网运行。国内，南车株洲电力机车有限公司于2012年8月10日成功下线储能式电力牵引轻轨车辆原型车，这是世界上首台采用超级电容作为主动力能源的轻轨车辆，可以实现全线无接触网运营，具有开创性的价值。
新型储能式轻轨车辆的出现，引领着全线无供电网轻轨车辆的发展。如何更好地结合轻轨车辆电力牵引和超级电容储能的特点，研究适用于轻轨交通的储能式牵引系统，要从系统的角度出发进行设计。本文以超级电容器作为唯一动力电源，探索适用于此牵引系统的牵引、制动特性，并进行实验室验证性计算仿真分析。
1 电力牵引系统的结构设计
储能式轻轨车辆在车站内由地面充电系统快速(30 s左右)完成储能系统充电，一次充电后能连续行驶到达下一个站台后再行充电，周而复始，这为车辆的运营带来极大的便利。在牵引（加速）工况时，通过超级电容放电为车辆提供动力电能；在电制动（减速）工况时，超级电容可将车辆的动能转化为电能吸收并储存，以备再利用；停站时，利用上下客的短暂时间，对超级电容快速充电，从而保证车辆的无网连续运营[4]。其工作原理如图1所示，图中SC代表超级电容器组[5]。
图2中，储能电源连接受控电压源作为系统的供电模块。逆变器模型选用三相桥式逆变器，采用IGBT元件作为工作器件。电机模型采用三相异步电动机。手柄信号主要分为牵引、惰行与制动，分别设定有对应的特性曲线。弱磁控制主要在恒功率段开始引入，使其主磁通按照相应的双曲线规律开始变化。将定子磁链幅值、转矩的指令值与实际值的差值在滞环比较器中比较，然后根据相应的表格进行逆变器开关信号的选择。中间转动装置主要包括逆变器损耗、电机损耗、传动装置损耗、变速箱变比和转矩的折算、列车质量的折算等过程。阻力曲线包括基本阻力与附加阻力，均按照牵引计算规程来选取。电机输出功率通过转矩转速相乘进行计算，运行距离通过对列车运行速度积分得到。电源的耗电量通过对电源功率积分得到。
2 轻轨车辆的牵引仿真计算
轨道车辆牵引仿真计算的主要任务是对车辆在运行过程中的速度、距离、电流、功率和时间之间的关系进行计算机仿真分析，并绘制相应的特性曲线。在仿真计算过程中涉及到列车的牵引特性、制动特性、列车运行中的工况选取、限速、制动距离及算法的稳定性等诸多问题[7]。
由于超级电容轻轨车辆的编组少，列车长度较短，在牵引计算中，可将整个动车组看作一个单质点的动力学系统。列车在运行过程中受到大小和方向不同的各种力的作用，此处只考虑与列车运行速度有关的纵向力，即牵引力、阻力和制动力[8]。下面根据具体的数据进行计算，假定列车编组为两动一拖，每节动车自重38 t，每节拖车自重34 t，每节车载荷310人，人均重0.06 t，车辆回转质量系数为0.06，列车起动加速度为1 m/s2，最大制动加速度为1 m/s2，黏着系数为0.17。站间距为1.5 km，列车最高运行速度为80 km/h。齿轮效率0.975，电机效率0.92，传动比7.69，动轮直径0.84 m。储能电源由576节超级电容器单体串联构成，最高工作电压864 V，最低工作电压576 V。
起动加速度为列车起动过程中速度从0增加到恒转矩最大速度之间的平均加速度，选择36 km/h为恒转矩运行和恒功率运行的转折点。
3 仿真结果分析
在Matlab/Simulink中进行建模，仿真运行后，得出的牵引特性曲线如图3所示。
特征点参数：速度36 km/h处为恒功点，最大牵引力198.8 kN；58 km/h处为自然特性始点，牵引力123.4 kN；最高速度点80 km/h，牵引力64.9 kN。
同样可以得出电气制动特性曲线，如图4所示。
在仿真过程中，储能电源部分以电流值作为输入，电压值作为输出，连接受控电压源模块作为模型的供能。通过仿真运行曲线可以看出，储能系统的电压范围在575 V～825 V之间，如图6所示。满足整车的额定工作电压DC 750 V、工作电压范围DC 500 V～900 V的要求。
资料显示，国内外装有储能系统的轻轨或地铁列车再生制动的能量是牵引能量的30%左右。但是，再生制动也有限制条件，即其所产生的能量需要由其他列车所吸收，如果能量得不到吸收，则会使网压提高或者只能通过制动电阻消耗这部分能量，从而导致能源的浪费。而其被吸收的量取决于列车的运行密度，如广州地铁一号线的行车间隔为360 s～420 s时，其吸收利用率仅为10%。
采用超级电容作为电源，从耗电量变化图（图7）中可以看出，耗电量只有22%，而且再生制动的能量回收在车辆自身的制动过程中全部回馈吸收，不需要其他列车吸收，其能量的回收利用率高，从而可以节约能源的消耗，明显优于传统车辆。
本文以超级电容器作为车辆运行的唯一动力来源，根据中小运量轨道交通车辆的特点，设计了电力牵引系统的牵引、制动特性，并在Matlab/Simulink环境下进行了仿真实验。实验表明，以超级电容器作为牵引动力电源的驱动方式，完全满足列车的运行要求，并且在1 500 m平直道上运行后，再生制动时的能量全部回馈吸收，从而可以节约能源的消耗，实现能源的高效循环利用，明显优于传统轻轨车辆。现阶段只是进行理论验证，后续研究还会依据不同线路条件、不同列车编组，对超级电容器组件及其管理系统以及牵引制动特性进行完善和优化，以实现完全无供电网条件下轻轨车辆的高效运行。
参考文献
[1] 刘友梅.轨道电力牵引新能源策略的思考[J].电力机车与城轨车辆，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] 杨颖，陈中杰.储能式电力牵引轻轨交通的研发[J].电力机车与城轨车辆，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，谢维达，孙家南，等.超级电容器时变等效电路模型参数辨识与仿真[J].同济大学学报(自然科学版)，2012，40(6)：949-954.
[7] 谢维达.电力牵引与控制[M].北京：中国铁道出版社，2010.
[8] 孙中央.列车牵引计算[M].北京：中国铁道出版社，2011.