韩维

摘 要：为有效降低当前有轨电车在运行期间短时大功率充电方式对配电网容量带来的冲击，可将超级电容采取串并联组合而成的方式加入充电装置中，就此本文首先概述什么是超级电容有轨电车，然后提出基于超级电容有轨电车的充电装置控制策略，最后得出仿真验证结果验证其在实际应用中的可行性。

关键词：超级电容;有轨电车

1 概述

1.1 超级电容

超级电容，原本是化学中使用的电容器，能够通过极化电解质的方式来实现储能的电化学元件，因化学本质是可逆的，所以可重复进行使用，使用寿命比较长。超级电容充电次数高达数十万次以上，其应用原理是活性炭多孔电极以及电解质组合结构来获得能量，在实际使用中，只需要10s-10min就可充电至容量95%以上，且在能量转变方面效率非常高，对温度适应能力也很强。在充放电方面，操作比较简单，安全性强，能够及时对剩余电量进行及时观测。除以上之外，在进行超级电容拆解时，不存在污染环境的问题，符合当前社会发展背景下提出的节能减排的理念。

1.2 超级电容有轨电车

超级电容有轨电车，指通过不锈钢材质，全部采取低地板的形式进行设计，通常情况下，地板面高度是350mm，靠车门部分的地板面要低于其他地方第版面30mm，为320mm，采用这种规格进行有轨电车设计，能够方便老人、幼儿以及孕妇等特殊人士只要轻轻抬脚就可以进入车内，同时超级电容有轨电车最大载客量可达380人，时速高达70公里每小时。

从超级电容的应用本质来讲，其主要动力是源于9500法拉超级电容储容实现电车充电，只需要30s，有轨电车即可在车站完成充电操作，完成一次充电即可运行3公里至5公里左右，在制动时，能够回收高达85%以上的制动能量，同时将其反馈至超级电容中，使其以电能的方式进行储存。

2 基于超级电容有轨电车的充电装置控制策略

2.1 三相电压型PWM

三相电压型PWM是当前使用比较普遍的有轨电车储能式充电装置控制策略，其应用原理是基于降低有轨电车储能系统在进行充电时所产生的谐波电流、无功功率以及电路损耗等问题为电网在使用中带来的电压波动以及电网污染情况，主要采用以下两种控制策略：

其一，电流内环，这种控制策略就是基于反馈网测连续方式进行的，在电流内环控制模型中：其中Ls为滤波器网侧电感值;ig为滤波器网侧电感电流;ig * 为感电流参考值;Lg为滤波器整流器侧电感值;ig为滤波器整流器侧电感电流;C为滤波器电容值;ic为滤波器电容电流;u、i、es分别指的是整流器中的输出电压、输出电流以及电网电压。

对于电流内环主要采用的控制器为PI控制器，以下公式1为传递函数;公式2为变流器增益：

公式1：

公式2：

公式2中的TS指的是反馈电流采用周期，对于网测电感电流与输出电压两者之间的传递函数则为公式3，也就是ig与u之间的传递函数：

公式3：

基于以上，若将系统延迟这一情况考虑其中，这就需要将延迟与采样/保持两个环节加进去，也就是公式4电流内环开环传递函数：

公式4：

若系统开环频率处于比较高的状态下，可将上述公式4整理为下述公式5：

公式5：

其二，电压外环，在电压外环的控制模型中：其中C1指的是整流器侧输出稳压电容，所采用的调节器与上述电压内环相同，也是PI调节器，公式6为整流器电压外环开环传递函数：

公式6：

1.2 DC/DC电路

如果不将电感电容的寄生电路考虑其中，将开关管以及二极管两者设为系统中使用比较理想的期间，该电路的主要功能就在于将原本的站内储能系统中直流电转变为当前使用的恒定电流或者是恒定电压，然后结合超级电容本身具有的充电特性来讲，在进行有轨电车充电时，首先采用恒定电流的方式进行充电，充至90%左右后采用恒定电压的方式再继续进行充电[1]。

针对于电流环控制，其中Gid（ s） 指的是输出电流与占空比两者之间的传递函数，也就是公式7：其中udc、 L1、C2、R 分别为斩波器输入侧的电压、为输出侧电感、为输出侧电容以及斩波器负载。针对于电压环控制，其中Gud（ s） 指的是斩波器输出电压与占空比两者之间的传递函数，也就是公式8：

公式7：

公式8：

3 仿真验证

3.1 充电装置设计参数

通过对基于超级电容的有轨电车充电装置进行相应的设计，本次仿真主要针对充电和放电两者进行验证。在进行仿真验证过程中，可将充电装置中超级电容容值和额定电压分别设置为139F和600V，对于充电装置的输入电压、输出电压以及输出电流分别设置为AC380V、DC900V以及DC600A，该充电装置的充电效率高达95%以上，波纹因数低于1%。

3.2 仿真分析

根据上述充电装置设计参数，可获取到基于超级电容的充電装置的电流与电压两者仿真波形。通过对仿真波形进行分析，若充电装置处于恒流充电状态下，则电流可保持在100A处于不变状态，之后电容电压线性逐渐上升，在3s时间内增加了3V，结合理论计算结果，两者相一致;若电容电压上升至特定值590V时，这时候电容电压就会维持在590V处于恒定状态，与此同时充电电流不断降低。

根据上述充电装置的电流与电压仿真波形来验证并分析有轨电车充电电流与电压的仿真波形：与站内储能系统的充电特性两者相同，若充电装置处于恒流充电状态下，则电流可保持在600A处于不变状态，之后输出电压线性呈逐渐上升状态，上升了30V，若电容电压上升至特定值900V时，这时候电容电压就会维持在900V处于恒定状态，与此同时充电电流不断降低，最终截至200A即可封脉冲，结合理论分析，最终验证的仿真结果与其一致[2]。

3.3 仿真结果

根据当前有轨电车在充电时存在的短时大功率对城市配电网带来的大容量冲击影响而言，本文基于超级电容，对有轨电车充电装置控制策略进行相应的研究，从中分析可通过延长充电装置的方式来增加配电网充电时间，并有效降低充电功率。将LCL滤波器接至整流器网测，然后通过电压电流双闭环PI控制策略，基于超级电容本身具有充电特性来进行充电电流以及电压的设置，对于充电装置中的斩波器，可通过电流环与电压环进行单环控制。根据上述仿真验证，最终结果表明，基于超级电容的有轨电车充电装置，一方面能够有效降低对供电网络装置提出的要求，不需要进行供电网络的架设，可直接与城市低压配电网连接;另一方面，对推动充电装置的成套生产也有非常大的推广意义[3]。因当前有轨电车停站时间比较短，对充电功率方面的要求比较大，因此也就对城市配电网容量提出更高要求，就此本文首先概述什么是超级电容有轨电车，然后从三相电压型PWM、DC/DC电路两方面提出基于超级电容有轨电车的充电装置控制策略，最后对其进行仿真验证，旨在为有轨电车在当前城市交通中的应用减少各方面的投入，推动城市交通事业的健康发展。

参考文献：

[1]黄齐来， 张维， 郭志奇. 车载超级电容储能式有轨电车的充电轨设计及应用[J]. 都市快轨交通， 2019， 32（02）：140-145.

[2]常鹏飞， 田炜， 林婵娟. 现代有轨电车储能式充电装置的研究[J]. 电气自动化， 2019， 41（01）：106-108.

[3]尹强， 庞浩， 甘江华，等. 超级电容器分段充电控制策略研究[J]. 大功率变流技术， 2019， 000（002）：40-43..