1. 概述?

1.1. 項目背景 廣州海珠環(huán)島有軌電車為廣州市第一條有軌電車線路，線路全長7.7公里，始于萬勝圍站，止于廣州塔站，共設(shè)11座車站，全為地面站；平均每站間距0.784公里。 廣州市海珠環(huán)島有軌電車車輛為世界首列超級電容100%低地板有軌電車，該車采用三動一拖四,模塊電源www.gztoppower.com.編組，車輛長度約36.5米，最大載客量為368人，最高運(yùn)行速度為70公里/時。

其特點(diǎn)為：?

1、全線區(qū)間無觸網(wǎng)儲能運(yùn)行，實現(xiàn)從有網(wǎng)到無網(wǎng)的進(jìn)化 區(qū)間無觸網(wǎng)，車輛利用儲能裝置實現(xiàn)無接觸網(wǎng)運(yùn)行，車站設(shè)有充電受流系統(tǒng)，當(dāng)車輛進(jìn)站時，通過車輛上的被動式受電器對儲能系統(tǒng)進(jìn)行快速充電，從最低電壓到完全充滿的站內(nèi)最大充電時間(含動態(tài)及停車充電)不大于30S，現(xiàn)場實際運(yùn)行測試結(jié)果一般在15 S左右。?

2、能量高效及循環(huán)利用 遵循“能量守恒”科學(xué)原理，通過儲能動力器件，實現(xiàn)能量在牽引、制動工況的過程循環(huán)轉(zhuǎn)換與循環(huán)利用，制動能量可由超級電容回收，再生制動能量回收率達(dá)到80%以上，與傳統(tǒng)有網(wǎng)受電式低地板車輛相比，系統(tǒng)節(jié)能30%以上，做到真正物理意義上的綠色與高效。?

3、全貫通式低地板，實現(xiàn)無障礙移動 采用100%低地板技術(shù)，車門口地板距地面僅325毫米，方便老人、小孩、孕婦以及殘障人士上下車。?

4、對城市環(huán)境影響少?

1) 噪音低：采用彈性車輪及整車降噪技術(shù)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化與材料組合技術(shù)，獲得輕量化和聲學(xué)性能最優(yōu)平衡點(diǎn)，打造城市路面“靜音”公共交通工具；?

2) 由于采用了無化學(xué)反應(yīng)的物理性大容量超級電容，無爆炸、起火危險，其充放電次數(shù)可達(dá)100萬次，使用壽命可達(dá)10年。該車節(jié)能環(huán)保，可緩解城市交通壓力和減少環(huán)境污染，“車輛頂部采用進(jìn)站受電的方式，可有效消除供電網(wǎng)的視覺污染，避免暴雨季節(jié)漏電的危險”。?

5、采用綠色輕量化材料，車載設(shè)備重量輕 采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)及碳纖維、鋁鎂合金、鋁蜂窩等新型綠色輕量化材料，嚴(yán)格控制車載設(shè)備重量，車輛軸重不超過10 t，達(dá)國際領(lǐng)先水平。?

6、建設(shè)和維護(hù)成本低 走行軌不再作為回流通路，對沿線城建設(shè)施無電腐蝕；相對于常規(guī)接觸網(wǎng)受流系統(tǒng)，僅雜散電流一項，每公里可以節(jié)省30萬元~50元萬整治費(fèi)用。因其能實現(xiàn)無接觸網(wǎng)運(yùn)行，全線路無接觸網(wǎng)，線路建設(shè)投入和維護(hù)成本低。?

1.2. 關(guān)鍵技術(shù) 采用全無接觸網(wǎng)的超級電容儲能電車，其中需要突破的一個技術(shù)關(guān)鍵是高壓大功率充電裝置。由于超級電容儲能電車在站內(nèi)充電時間僅為20~25 s，充電峰值功率可達(dá)1.6 MW，端口電壓也遠(yuǎn)高于常規(guī)電池儲能汽車充電電壓，針對無接觸網(wǎng)的超級電容儲能式軌道交通，不但要解決車輛研制技術(shù)，還需要解決高壓大功率充電技術(shù)及其裝置研制，才能實現(xiàn)超級電容儲能電車的安全運(yùn)營。

本文主要針對車輛儲能系統(tǒng)快速充電裝置“超級電容成套充電裝置”的系統(tǒng)構(gòu)成、功能簡單進(jìn)行介紹。?

2. 系統(tǒng)構(gòu)成及功能?

2.1. 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù) 充電裝置是實現(xiàn)交流直流整流變換和直流充電調(diào)壓的功能的基本單元，其系統(tǒng)主要包括：整流、直流變換和輸出隔離切換控制三部分，其主要技術(shù)參數(shù)為表1所示。?

2.2. 系統(tǒng)功能?

(1) 移動充電功能，即：?

(a) 當(dāng)列車進(jìn)入車站充電網(wǎng)范圍內(nèi)即可啟動充電；?

(b) 列車正在充電的過程中，若列車啟動離站，充電裝置能夠自動檢測迅速停止充電，基本消除燃弧現(xiàn)象的發(fā)生；?

(c) 在充電的過程中若發(fā)生燃弧，充電裝置能夠自我保護(hù)功能，保障設(shè)備的安全。?

(2) 向上行列車和下行列車的分時充電功能，即：?

(a) 在同一時刻僅對上行或者下行列車充電；?

(b) 當(dāng)兩列車同時進(jìn)站時，應(yīng)先對上行列車充電，然后對下行列車充電；?

(c) 上行和下行列車充電的切換時間不大于100 ms；?

(d) 上行和下行充電切換設(shè)置必需的電氣安全閉鎖，能夠有效防止對上行和下行充電網(wǎng)同時送電，有效防止同時停在上行和下行列車在車站通過充電網(wǎng)并聯(lián)。

(3) 充電裝置與充電網(wǎng)之間設(shè)置隔離開關(guān)，實現(xiàn)維護(hù)檢修時的電氣隔離。隔離開關(guān)的狀態(tài)納入成套充電裝置的監(jiān)控，并能夠在就地和遠(yuǎn)方進(jìn)行控制。?

(4) 監(jiān)測車輛位置信息，在車輛進(jìn)入充電區(qū)域時方能夠?qū)佑|網(wǎng)送電；當(dāng)車輛離開充電區(qū)域時充電裝置斷電，確保車站和停車場車輛充電區(qū)域處于無電狀態(tài)； 充電裝置設(shè)置有必要的安全放電回路，使得停止充電后，充電系統(tǒng)的電壓在短時間內(nèi)迅速降至安全電壓范圍內(nèi)，保障乘客和工作人員的安全。?

(5) 充電功能對超級電容儲能裝置具有通用性。當(dāng)儲能裝置超級電容的品牌發(fā)生變化時，僅通過調(diào)整充電裝置中的控制參數(shù)和充電策略滿足超級電容的充電要求。?

(6) 充電裝置的輸出特性符合下列要求：?

(a) 紋波系數(shù)：在恒流狀態(tài)下，當(dāng)輸出直流電壓在規(guī)定的電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變化時，在任意數(shù)值上保持穩(wěn)定，紋波電流有效值系數(shù)<±0.5%，紋波電流峰值系數(shù)<±3%；?

(b) 輸出電流誤差：在恒流狀態(tài)下，輸出電流整定誤差<±0.5%；?

(c) 輸出電壓誤差：直流輸出電壓設(shè)定在規(guī)定的電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，輸出電壓整定誤差不超過±1%；?

(d) 限壓特性：充電機(jī)在恒流狀態(tài)下運(yùn)行時，當(dāng)輸出直流電壓超過限壓整定值時，應(yīng)能自動限制其輸出電壓的增加；?

(e) 均流不平衡度：各模塊平均輸出電流為100%額定電流時，電流不平衡度不超過±5%；?

(f) 外特性：在恒流、恒功等充電模式下實時監(jiān)控充電網(wǎng)電壓，防止電壓超過閾值。?

(7) 充電裝置的監(jiān)控功能達(dá)到如下目標(biāo)：?

(a) 實時監(jiān)測車站區(qū)域內(nèi)車輛的運(yùn)行狀態(tài)及其車載儲能裝置的狀態(tài)啟動、停止充電功能，能夠自動選擇充電參數(shù)。充電柜應(yīng)將其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和控制參數(shù)上傳至上位監(jiān)控系統(tǒng)，同時能夠接受上位監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控。充電裝置的運(yùn)行參數(shù)可以通過就地和遠(yuǎn)程設(shè)定； b) 充電柜具有自動控制功能，根據(jù)充電柜檢測到車輛儲能裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息，自動控制調(diào)整充電時間、充電電流和充電限制電壓，即可以選擇不同的充電模式，并將充電柜的運(yùn)行狀態(tài)實時反饋至上位監(jiān)控系統(tǒng)。若儲能裝置故障時，裝置能夠停止充電。充電模式的選擇可以在就地和遠(yuǎn)方控制中心進(jìn)行設(shè)定；?

(c) 充電柜能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測、遠(yuǎn)方手動投切和現(xiàn)場手動投切，各種方式之間有可靠的閉鎖，防止發(fā)生事故。檢測、控制實現(xiàn)完全自動，可實現(xiàn)無人值守；?

(d) 具有供值班員使用的參數(shù)設(shè)置功能，所有設(shè)置的內(nèi)容不受停電和干擾信號的影響；?

(e) 控制系統(tǒng)由顯示單元、微機(jī)監(jiān)控單元、開關(guān)面板、主控單元、采樣單元、輸入輸出單元、及柜內(nèi)風(fēng)機(jī)和照明等部分組成。?

(8) 通訊接口 充電裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信口接入變電所綜合自動化系統(tǒng)。物理接口采用光纖以太網(wǎng)口(或RJ45電口)，通信速率為10/100 M自適應(yīng)，協(xié)議采用TCP/IP modbus開放協(xié)議； 充電裝置微機(jī)控制系統(tǒng)上送監(jiān)控系統(tǒng)的信息帶有時標(biāo)，時標(biāo)要求精確到毫秒級，并具有與上位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行時鐘同步功能，對時方式為軟件對時，對時精度為毫秒級。?

(9) 數(shù)據(jù)記錄、顯示功能 ?實時記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)，保存6個月以上。顯示界面具有友好的人機(jī)界面、易操作，可顯示如下內(nèi)容：?

(a) 主接線，充電控制參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；?

(b) 故障記錄；?

(c) 充電裝置各個模塊狀態(tài)監(jiān)視；?

(d) 顯示當(dāng)前時間、保護(hù)動作時間，顯示保護(hù)類型、保護(hù)動作時間等信息。 現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)的查詢和調(diào)整采用現(xiàn)場液晶顯示與控制。?

(10) 保護(hù)功能?

(a) 充電裝置具有基本的繼電保護(hù)功能，包括：輸入過壓、欠壓、過流，輸出過壓、過流，IGBT故障，短路，接地，過熱保護(hù)，內(nèi)部通訊故障、外部通訊故障等；?

(b) 充電裝置保護(hù)裝置能夠為充電裝置本體、充電裝置至充電網(wǎng)之間電氣故障、過電壓和異常運(yùn)行方式提供有效的保護(hù)功能。?

2.3. 裝置構(gòu)成?

充電機(jī)核心部分為變流器，其將來自整流變壓器的交流電，變換成電壓電流均可調(diào)節(jié)直流電源。變流裝置由4套完全一致的裝置組成，充電機(jī)采用24脈動不控整流加后級多相buck斬波電路，具有電路簡潔、技術(shù)成熟、可靠性高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域。24脈動可以有效減小諧波、提高功率因數(shù)。 斬波電路采用成熟的Buck斬波電路裝置由4個獨(dú)立的斬波電路并聯(lián)，每個斬波電路接入一個變壓器副邊繞組對應(yīng)的整流輸出。每個斬波電路直流側(cè)的額定電流為450 A，四組并聯(lián)實現(xiàn)總電流1800 A的充電輸出。 圖1給出了充電裝置的電氣構(gòu)成框圖。圖2給出了變流器的電氣原理圖。 整流變壓器低壓側(cè)配置軟起電路，可以在電路合閘時最大程度的減少電流沖擊。斬波電路輸出采用4相斬波并聯(lián)，4相斬波采取移相控制以利于減小輸出紋波電壓和紋波電流。圖3為移相斬波輸出電流波形。?

2.4. 控制原理及其實現(xiàn)?

充電裝置的調(diào)節(jié)模式包括恒流模式、恒功率模式與恒壓模式，三種模式可單獨(dú)使用，也可按照預(yù)定邏輯自動切換，完成充電過程。自動充電時，充電曲線見圖4所示，其中AB：電流上升段；BC：恒流充電段；CD：恒功率充電段；DE：恒壓充電段；EF：充電停止。 圖5為控制框圖，左為恒流控制，右為恒壓控制框圖。?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖一、為控制框圖，左為恒流控制，右為恒壓控制框圖。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 充電裝置電氣框圖??

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖二、變流器電氣原理圖 ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖五、控制框圖?

采用以上控制模型，使用PSCAD軟件建模，對控制特性進(jìn)行仿真，圖6為仿真模型，圖7為仿真電流電壓波形。 實測的裝置1800 A輸出特性見圖8所示，從實測波形與仿真波形對比，可見控制函數(shù)可以滿足應(yīng)用要求。?

圖六、仿真模型主電路?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖七

在城市交通擁堵不斷加劇的形勢下，優(yōu)先發(fā)展公共交通已經(jīng)成為我國和世界各國解決城市交通問題的共同選擇，預(yù)計未來相當(dāng)長的一段時間都將是城市軌道交通建設(shè)的快速增長期。 由于現(xiàn)代有軌電車具備節(jié)能環(huán)保、中等運(yùn)能、舒適人性化、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和建設(shè)靈活度高的特點(diǎn)，加之地鐵和輕軌建設(shè)的運(yùn)營成本、審批門檻較高，因此我們預(yù)計，在新型城鎮(zhèn)化對于完善的城市軌道交通的需求下，將掀起新型有軌電車的建設(shè)熱潮。?了解更多電源模塊資訊：http://79868.cn/news/industry.html

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