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，最高運行速度為70公里/時。

其特點為：?

1、全線區(qū)間無觸網(wǎng)儲能運行，實現(xiàn)從有網(wǎng)到無網(wǎng)的進化 區(qū)間無觸網(wǎng)，車輛利用儲能裝置實現(xiàn)無接觸網(wǎng)運行，車站設有充電受流系統(tǒng)，當車輛進站時，通過車輛上的被動式受電器對儲能系統(tǒng)進行快速充電，從最低電壓到完全充滿的站內最大充電時間(含動態(tài)及停車充電)不大于30S，現(xiàn)場實際運行測試結果一般在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，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，結構優(yōu)化與材料組合技術，獲得輕量化和聲學性能最優(yōu)平衡點，打造城市路面“靜音”公共交通工具；?

2) 由于采用了無化學反應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100萬次，使用壽命可達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，車載設備重量輕 采用優(yōu)化結構設計技術及碳纖維、鋁鎂合金、鋁蜂窩等新型綠色輕量化材料，嚴格控制車載設備重量，車輛軸重不超過10 t，達國際領先水平。?

6、建設和維護成本低 走行軌不再作為回流通路，對沿線城建設施無電腐蝕；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元萬整治費用。因其能實現(xiàn)無接觸網(wǎng)運行，全線路無接觸網(wǎng)，線路建設投入和維護成本低。?

1.2. 關鍵技術 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關鍵是高壓大功率充電裝置。由于超級電容儲能電車在站內充電時間僅為20~25 s，充電峰值功率可達1.6 MW，端口電壓也遠高于常規(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，還需要解決高壓大功率充電技術及其裝置研制，才能實現(xiàn)超級電容儲能電車的安全運營。

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)構成、功能簡單進行介紹。?

2. 系統(tǒng)構成及功能?

2.1. 系統(tǒng)主要技術參數(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) 當列車進入車站充電網(wǎng)范圍內即可啟動充電；?

(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功能，保障設備的安全。?

(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) 當兩列車同時進站時，應先對上行列車充電，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)之間設置隔離開關，實現(xiàn)維護檢修時的電氣隔離。隔離開關的狀態(tài)納入成套充電裝置的監(jiān)控，并能夠在就地和遠方進行控制。?

(4) 監(jiān)測車輛位置信息，在車輛進入充電區(qū)域時方能夠對接觸網(wǎng)送電；當車輛離開充電區(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)的電壓在短時間內迅速降至安全電壓范圍內，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。當儲能裝置超級電容的品牌發(fā)生變化時，僅通過調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，當輸出直流電壓在規(guī)定的電壓調節(jié)范圍內變化時，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：直流輸出電壓設定在規(guī)定的電壓調節(jié)范圍內，輸出電壓整定誤差不超過±1%；?

(d) 限壓特性：充電機在恒流狀態(tài)下運行時，當輸出直流電壓超過限壓整定值時，應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)控功能達到如下目標：?

(a) 實時監(jiān)測車站區(qū)域內車輛的運行狀態(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)。充電柜應將其運行狀態(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。充電裝置的運行參數(shù)可以通過就地和遠程設定； 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行狀態(tài)信息，自動控制調整充電時間、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方控制中心進行設定；?

(c) 充電柜能夠實現(xiàn)自動檢測、遠方手動投切和現(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)設置功能，所有設置的內容不受停電和干擾信號的影響；?

(e) 控制系統(tǒng)由顯示單元、微機監(jiān)控單元、開關面板、主控單元、采樣單元、輸入輸出單元、及柜內風機和照明等部分組成。?

(8) 通訊接口 充電裝置采用標準的數(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，協(xié)議采用TCP/IP modbus開放協(xié)議； 充電裝置微機控制系統(tǒng)上送監(jiān)控系統(tǒng)的信息帶有時標，時標要求精確到毫秒級，并具有與上位監(jiān)控系統(tǒng)進行時鐘同步功能，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界面、易操作，可顯示如下內容：?

(a) 主接線，充電控制參數(shù)和運行狀態(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) 顯示當前時間、保護動作時間，顯示保護類型、保護動作時間等信息。 現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的查詢和調整采用現(xiàn)場液晶顯示與控制。?

(10) 保護功能?

(a) 充電裝置具有基本的繼電保護功能，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，內部通訊故障、外部通訊故障等；?

(b) 充電裝置保護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、過電壓和異常運行方式提供有效的保護功能。?

2.3. 裝置構成?

充電機核心部分為變流器，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、技術成熟、可靠性高的特點，廣泛應用于城市軌道交通領域。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的整流輸出。每個斬波電路直流側的額定電流為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，三種模式可單獨使用，也可按照預定邏輯自動切換，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，預計未來相當長的一段時間都將是城市軌道交通建設的快速增長期。 由于現(xiàn)代有軌電車具備節(jié)能環(huán)保、中等運能、舒適人性化、環(huán)境適應性強和建設靈活度高的特點，加之地鐵和輕軌建設的運營成本、審批門檻較高，因此我們預計，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熱潮。?了解更多電源模塊資訊：http://www.79868.cn/news/industry.html

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