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1、 硕 士 学 位 论 文 低地板轻轨列车混合动力储能系统研究 Research On Low Floor Light Rail Vehicle Hybrid Energy Storage System 作 者：宋 强 导师：游小 杰 北京交通大学 2015年 6刀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供査阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学校代码： 1
2、0004 密级：公开 北京交通大学 硕 士 学 位 论 文 低地板轻轨列车混合动力储能系统研究 Research On Low Floor Light Rail Vehicle Hybrid Energy Storage System 作者姓名：宋强 导师姓名：游小杰 学位类别：工学 学科专业：电气工程 学 号： 12121534 职 称：教授 学位级别：硕士 研究方向：电力电子与电力传动 北京交通大学 2015年 6月 本论文的工作是在我的导师游小杰、郭希铮、刘建强三位老师的悉心指导下 完成的，游老师对待学术问题一丝不苟、精益求精，这种严谨的作风令我获益匪 浅，而他自身的人格魅力和科研热情更
3、是深深的影响着我。在此衷心感谢游老师 三年来对我的关心和指导。 在研究生学习这段期间，郭希铮老师对我的科研工作进行了悉心指导。他渊 博的知识、敏锐的洞察力以及谦和的处事态度始终是我学习的榜样，研究生这段 时间是我人生进步最大的一段时间。刘建强老师温文尔雅、和蔼可亲，除了指导 指导我专业知识的学习，更是引导我独立思考，总是教导我先做人后做事，我会 一直牢记在心，在此向两位老师表达诚挚的谢意。 在实验室工作中和论文撰写过程中，宋玉美、孙倩倩、刘遥、袁婕、谢佳季、 茹珂、成铭、刘 帅、张金娈、陈春陶、黄伟、裴政等同学对我的整个研究工作给 予了热情的帮助。另外，王竞飞、刘绍凯、赵志博、魏远乐、赵楠、郭
4、怀龙、王 浩斌、符里等同学在我研究生的生活和学习中给予了我很大的关怀和鼓励，在此 向他们表示衷心的谢意。 最后，感谢我的家人及所有的亲人朋友，在精神上和物质上给予了我很大的 支持和帮助，使我能够在学校专心完成我的学业。 摘要： 在城市重点景区或交通枢纽区无法架设接触网，为轻轨列车加装储能装置可 以使轻轨车在有无电区线路上运行。本课题对低地板轻轨列车基于蓄电池和超级 电容的车载混合动力储能系统关键技术进行研究，主要围绕储能系统能量管理单 元设计、控制和实现展开工作，实现轻轨列车无接触网线路运行目标。 首先，完成了混合动力储能系统能量管理单元总体设计。从分析轻轨列车脉 冲功率负荷特性入手，选择蓄电
5、池和超级电容作为储能元件。系统结构采用两种 储能元件分别通过两套双向 DC/DC变换器并联使用，为轻轨列车的主变系统和辅 变系统提供稳定的直流电压，同时吸收再生制动能量。结合两种储能元件的优势 制定能量分配策略 ，蓄电池能量密度较大，为轻轨车整个续航提供能量；超级电 容功率密度较大，提供牵引时瞬时峰值功率并吸收再生制动能量。在此基础上根 据实际低地板车技术参数和运行条件核算牵引能量和功率需求并完成了储能元件 的匹配设计。 其次，完成了混合动力储能系统双向 ZX： /DC变换器建模和控制器设计。在分 析双向DC/DC变换器工作原理的基础上，基于状态空间平均法建立混合动力储能 系统动态数学模型。采
6、用频域中波特图对补偿前后对控制器性能对比分析，最终 设计相应的反馈控制器并在 MATLAB仿真平台完成了的控制策略仿真验证。 然后 ，在理论分析和仿真验证的基础上完成了混合动力储能系统双向 ZX： /ZX： 变换器硬件设计，包括了主电路、控制电路、驱动电路以及电源电路。在硬件平 台上对控制策略进行了算法实现并进行了地面实验。实验结果表明系统硬件结构、 参数设计合理，双向DC/DC变换器控制策略以及能量分配控制策略有效。地面实 验显示了控制系统具有良好的动态性能和稳态性能。 关键词：轻轨列车；混合动力储能系统；蓄电池；超级电容；双向 ZX： /DC; 分类号： TM46 ABSTRACT ABS
7、TRACT ABSTRACT: It is difficult to build overhead contact lines in the busy urban view spots or crowded traffic hubs for light rail vehicles. One way to solve this problem is to add energy storage equipment, used as a power supply. The paper, which takes hybrid energy storage system (HESS) based on
8、batteries and super capacitors as the subject for the low floor light rail vehicle, mainly works focuses on energy management unit design, control and implementation, to achieve the operation without overhead contact line. F Firstly, the paper completed power management unit overall design of the HE
9、SS. Batteries and super capacitors respectively by two sets of paralleled bi-directional DC/DC converters to provide stable power supply for main converter system and auxiliary converter system of the vehicle, at the same time absorbing the braking energy, finally realize the operation without overh
10、ead contact line. It combines the advantages of batteries and super capacitors, the former a whole endurance life supplier, while the latter works as both a peak power supplier and a braking energy consumer.On the basis of the actual traction calculation on the basis of energy and power to complete
11、the matching design energy storage element. Secondly, the paper completed HESS bi-directional DC/DC converter modeling and controller design. According to the actual operating conditions of the vehicle, based on analyzing the working principle of bi-directional DC/DC converter, the average state spa
12、ce method used to establish HESS dynamic model and feedback controllers are designed. Finally, based on the MATLAB platform to complete the simulation, the results show that the proposed control strategy is effective. Thirdly， with successfiil theoretical analysis and simulation verification a real
13、HESS is built, including the main circuit, control circuit, drive circuit and power supply circuit and hardware circmts tested function well. Finally, the proposed algorithms put into the actual hardware circuit. Experimental results show the reasonablity of hardware design and verification the avai
14、lability of control strategy. KEYWORDS： Low floor light rail vehicle; Hybrid energy storage system; Battery; Super capacitor; Bi-directional DC/DC converter CLASSNO： TM46 目录 触 . V ABSTRACT . vii 1職 . 1 1.1课题研究背景和意义 . 1 1.2无接触网供电方式的发展与应用现状 . 3 1.2.1地面供电方式 . 3 1.2.2车载供电方式 . 5 1.3本文研究的内容 . 6 2混合动力储能系统能
15、量管理单元设计 . 7 2.1储能元件选择 . 7 2.2储能系统结构和能量分配策略分析 . 9 2.3储能元件匹配设计 . 11 2.4本章小结 . 15 3双向 DODC变换器建模与控制器设计 . 17 3.1双向 DC/DC变换器工作原理 . 17 3.2双向 DCZDC变换器建模 . 23 3.2.1有接触网充电模式下 DC/DC变换器建模 . 23 3.2.2无接触网运行模式下 ZXy/X： 变换器建模 . 25 3.3控制器设计 . 27 3.3.1有接触网充电控制器设计 . 27 3.3.2无接触网运行控制器设计 . 29 3.4仿真验证 . 31 3.4.1有接触网充电控制策略
16、仿真 . 31 3.4.2无接触网运行控制策略仿真 . 35 3.5本章小结 . 36 4双向 DC/DC变换器硬件设计 . 37 4.1系统硬件结构 . 37 4.2主电路设计 . 38 4.2.1主电感参数设计 . 38 4.2.2换流电感参数设计 . 40 北京交通大学硕士学位论文 4.2.3输入输出电容参数设计 . 41 4,2.4 IGBT参数设计 . 43 4.3控制电路设计 . 44 4.4驱动电路设计 . 47 4.5电源电路设计 . 49 4.6 本章小结 . 51 5双向 DC/DC变换器地面实验 . 53 5.1实验平台 . 53 5.2双向 DC/DC变换器充放电性能测
17、试实验 . 53 5.2.1 模式性能测试实验 . 53 5.2.2 对模式性能测试实验 . 55 5.3混合动力模式实验 . 56 5.4本章小结 . 57 6总结和展望 . 59 6.1总结 . 59 6.2展望 . 60 参考文献 . 61 作者简历 . 63 独创性声明 . 65 学位论文数据集 . 67 X 1.1课题研究背景和意义 随着社会经济的迅速发展和城市规模的曰益扩张，不断增加的城市人口数量 和人口流动对城市各项基础设施提出了更髙的要求。如果交通设施不能够满足城 市的发展需要，城市交通会变得越来越拥堵，这将不利于社会经济的发展。乘车 难、行车难，不仅成为影响市民日常生活和工作
18、的一个重要问题，而且成为制约 城市经济发展的一个重要因素。 20世纪 70年代中后期，随着世界经济的发展和人 类环境保护意识的不断提髙，常规公共交通已经难以满足日益增长的人口流动需 求。由于城市轨道交通具有运量大、速度快、高效节能等优点，各个国家开始采 用立体化 城市轨道交通来解决日益恶化的交通问题 【 1】 。到目前为止全球已有超过 300个城市修建了城市轨道交通线路。发达国家城市如伦敦、巴黎、纽约、芝加哥、 东京等线路总长度己经突破 1000万公里，而且在一些城市达到了整个客运量的 50% 80%,成为城市交通的主要组成部分 2。我国政府几年来也大力开展城市轨 道交通建设，目前北京和上海等
19、城市运营的线路总长己经突破 500公里，西安、 杭州、苏州等十五个城市总长达到 1100公里。按目前城市轨道交通线路的发展速 度，预计 2020年我国城市轨道交通线路将达到 2000-2500公里 3。城市轨道交通 将为城市的可持续发展作出巨大的贡献。 城市轨道交通主要包括了地铁、轻轨、有轨电车等，其中轻轨列车因其乘坐 方便、对客流量变化具有较好适应性，能够与现代城市建设相协调的优点，在 20 世纪 80年代首先在欧美得到广泛应用。轻轨交通系统载客量单向高每小时 1 3万 人次，最髙可达 4万人次，载客量介于公共汽车和地铁之间，一般可用作中等城 市的干线交通和大城市的支线交通。轻轨列车的发展大
20、致经历了 3个阶段：高地 板、中地板和低地板。对于高地板轻轨车辆一个较为突出的问题是不便于旅客上 下车，增加 了停站时间。低地板轻轨列车具有快速便捷、安全舒适、投资节省、 建设期短、与城市环境适应性强等方面的显著优点，是名副其实的绿色交通工具1。 同时，还可以刺激区域经济发展，增加城市人员流动性和吸引力，完善社会公共 交通系统，是城市文明和社会进步的重要体现 1990年 2月世界上第一辆 100%低 地板轻轨列车在德国正式投入运用 m，此后美国、法国、曰本等国家也陆续出现 100%低地板轻轨车。据不完全统计目前世界上已有超过 30多个国家拥有 100%低 地板轻轨车。从发展历史上看，世界上曾有
21、十几个厂家生产出二十几种型号 的 北京交通大学硕士学位论文 100%低地板轻轨车。但是经过各个厂家的市场竞争、优胜劣汰，目前已经发展成 为以西门子、阿尔斯通、庞巴迪为代表的三大厂家。 低地板轻轨列车在我国发展相对滞后，仍处于起步阶段。在关键设备和核心 技术方面很大程度上需要依赖进口来解决，工程造价非常昂贵。 2006年 12月长客 股份在国内率先成功研发 70%低地板轻轨车，并在轻轨线路上成功运营 5年。经 过近几年的刻苦攻关，我国在轻轨列车转向架、锅合金车体等系统的研制，牵引 电机矢量控制算法以及列车网络控制等关键技术方面取得了巨大成就。 2010年 8 月长客股份通过了 “ 十一五 ” 国
22、家科技支撑计划课题 “100%低地板轻轨车研制 ” 的验收，并且于 2012年 10月在长春轻轨线上正式投入运行，为低地板系列轻轨 车打上了中国制造的标签，实现了 100%低地板车的自主研制，填补了我国有城市 轨道交通运载技术空白同年 11月，南车株洲电力机车有限公司携手西门子公 司签署协议，为广州设计国内首列储能式 100%低地板轻轨车。这些标志着我国的 城市轨道交通已经具备了自主开发和技术推广的条件，我国城市轻 轨列车幵始步 入规模发展时期。 100%低地板轻轨车辆的推广将我国现代城市轨道交通发展的打 幵崭新格局。 我国城市低地板轻轨车己经进入了快速发展阶段同时还有许多因素制约着它 的发展
23、。一方面轻轨列车运行线路多经过城市商业区、交通枢纽区而无法架设接 触网，因而存在无接触网运行区域。为轻轨列车加装储能装置可以使其在有无电 的线路上运行。当列车运行在有接触网的地方，可以给储能装置充电；当列车运 行至无电区时，储能装置释放能量为牵引传动系统和辅助供电系统提供电能使其 能够顺利通过无接触网区域。另外一方面，轻轨列车需要频 繁的启停，功率需求 频繁交替的出现牵引阶段正的最大和制动阶段负的最大，此时若对再生制动能量 回馈会对电网形成冲击，严重影响电网的稳定。如果将轻轨列车再生制动能量储 存在车载储能系统里，下次启动时再将能量释放出来给提供牵引电能。这样可既 可以减少牵引能量损耗、提高系
24、统效率达到节能环保的目的，还可以减小牵引负 荷对供电系统最大功率需求和冲击。 本课题针对低地板轻轨列车基于蓄电池和超级电容的车载混合动力储能系统 关键技术进行研究。将蓄电池与超级电容并联用作为列车的动力系统，牵引阶段 超级电容提供车辆需要的峰值功率 ；巡航过程中蓄电池提供正常行驶的额定功率 ; 制动时通过超级电容实现再生制动能量的快速吸收，最终实现轻轨列车无接触网 运行目标。在混合动力储能系统中超级电容减少了蓄电池的功率负荷，避免了大 电流的冲击，减小了蓄电池的充放电次数，从而延长了蓄电池寿命。因此，对混 合动力储能系统研究将对轻轨列车的快速发展，提高我国城市轨道交通运输能力 具有重要意义。
25、2 1.2无接触网供电方式的发展与应用现状 城市轨道交通领域传统的供电方式采用架空接触网供电，将直流电网架设在 车体上方 ，车辆通过受电弓受流。这种供电方式结构简单可靠，并且将电网架设 到远离人员的髙空具有较好的安全性，在城市轨道交通领域得到了广泛应用。当 鉗运营的大部分城轨车辆都采用架空接触网的供电方式。随着城市化进程的加快， 架空接触网对城市空间和美观会造成一定的负面影响。如何在特定的线路上甚至 全部取消架空接触网，这对现代城市轨道交通供电技术提出了新的要求。于是新 型无接触网供电技术方式开始涌现，目前大致可以分为两类：地面供电方式和车 载供电方式。 1.2.1地面供电方式 传统的地面供电
26、方式主要是第三轨供电，在两条钢轨的基础上再修建一条轨 道专门用来供电。 1890年伦敦第一条电气化地铁就采用第三轨供电系统，早期北 京地铁和天津地铁多采用这种供电方式。由于供电轨多修于路面上对安全性要求 较高，轻轨列车运行线路多处于非封闭状态，不能直接使用传统第三轨供电 现 代地面供电方式通过一定的方法让轨道平时不带电，只有当车辆通过时局部轨道 带电，这样既能保障人员的安全又能持续性地对车辆供电。典型的有阿尔斯通 系统、安萨尔多 7wmvove系统、庞巴迪 iV/move系统。 系统如图 1-1所 示，在运行轨道中间铺设一条中央轨道，由 8m的导电轨 间隔 3m的绝缘轨组成，并且每隔 22m设
27、置一个 750V直流供电箱。当车辆经过 时控制系统收到车辆发来的信号后闭合接触器，受电靴接触导轨给车辆供电：车 辆经过后接触器断幵，轨道不再带电。车上装有 9kWh的蓄电池组，保证车辆通 过绝缘轨时能够持续供电。 图 1 - 1 阿 尔 斯 通 地 面 供 屯 系 统 Fig. 1- 1 Alstom APS ground power supply system 北京交通大学硕士学位论文 系统解决了架空接触网对城市景区的美观性要求，对行人没有危险。但 是供电设备埋于地下，对设备的可靠性、安全性以及对天气的适应性要求很高， 而且受电靴与供电轨道接触存在摩擦问题还有待解决，而且建设和运营成本较高。
28、 7h7/mvave系统如图 1-2所示，供电方式与 jPiS系统相似，只是 Tra/mvove供 电系统依靠的是物理电磁力原理实现供电模块的接入和断开。受电靴为永磁体， 当车辆经过时受电靴吸起柔性导电带，供电箱给列车供电；车辆经过后柔性导电 带 受 重 力 作 用 释 放，轨 道 不 再带 电 。 虽 然 系 统 在 一 定 程 度 上 克 服 了 造价昂贵，积水问题等缺点，但是在重车碾压时存在安全隐患。 图 1-2 7amwove地面供电系统 Fig. 1-2 Tramwave ground power supply system /VzVwve系统如图 1-3所示，系统每隔 9m设置一个
29、逆变器将 750V直流电源 逆变成 20kHz/400V的交流电。当车辆经过时逆变器工作，车辆底部的集电器产生 感应电压形成感应电流，再经过整流成直流为车辆供电；车辆离幵后逆变器停止 工作，不会 行人造成危害。 图 1-3庞巴迪 Pr/zwove地面供电系统 Fig. 1-3 Bombardier primove ground power supply system 系统采用电磁感应原理，不存在接触磨损的问题从而减少了维护成 本，而且对天气、排水、路面问题都有较好的适应性，只是注意线缆保护。但是 该系统在车辆运行时效率比较低约 74%，而且漏磁容易造成电磁污染。 4 1.2.2车载供电方式 车
30、载储能供电方式与地面供电方式相比不需要在轨道上建立庞大辅助设施， 彻底解决了架空接触网对城市美观的影响。目前储能技术主要有：飞轮储能、超 导储能、电池储能以及超级电容储能。 飞轮在功率、能量、时间等核心参数上都能与城市轨道交通负荷特性很好的 匹配，是一种具有广阔应用前景的新型机械储能技术。飞轮储能技术日本研发比 较早， 1988年就将飞轮储能系统成功应用于铁路车辆。此后，飞轮储能技术不断 被应用于伦敦、纽约和巴黎等城市的地铁中 7。 2004年德国开发的 lOOOkW飞轮 储能系统应用与汉诺威。目前，日本、德国、美国等正在大力开展对飞轮储能技 术的研究，并逐步向产业化、市场化方向发展。我国在飞
31、轮储能技术领域的研究 起步较晚，尚处于小功率实验室样机开发阶段，距离实用还有一段距离。 超导储能 841利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返 回电 网，一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统组成。超导储 能系统由于其储存的是电磁能，这就保证了超导储能系统能够实现大功率能量交 换，系统效率高。而且没有旋转机械部分，不存在密封问题的优点，在功率密度 和响应速度方面保持着绝对的优势。在大功率应用场合有广泛的应用前景，但是 目前超导体工作温度太低，工程实际应用还有一定技术困难。 蓄电池储能是目前技术最为成熟，应用最为广泛的新型储能技术。早在 20世 纪 90年代德国柏林
32、地铁就釆用了电池储能技术 1()。 2006年日本旅客铁道公司在地 铁供电 站中安装 1050kW的锂电池储能系统，用于吸收再生制动能量、改善电网 直流。 2007年阿尔斯通开发 200kW镍氢电池储能系统解决有轨电车通过尼斯举办 狂欢节广场的无法架设接触网的问题。近年来随着蓄电技术不断发展，装置重量 不断减轻，体积不断变小、容量不断变大，基于蓄电池的车载储能技术进一步得 到了发展。劳尔公司为意大利帕多瓦设计的有轨电车通过河谷广场加装 的车载储能系统也是采用蓄电池储能元件。 2013年我国为 100%低地板轻轨车加装 锂电池车载储能系统，顺利通过 15km的无接触网线路 11。 近年来超级电容
33、储能技术在城市轨道交通领域得到了广泛的应用。 2001年德 国西门子公司研发用于吸收再生制动能量的超级电容器储能装置在科隆试运行， 之后该储能系统在许多国家的轨道交通线路上被广泛使用，北京地铁 5号线也使 用了该系统 12。庞巴迪公司开发的 Mf/mc车载式超级电容吸收能量系统长期运营 结果显示节能达到 30%以上。 2009年西班牙 G4F公司开发出车载超级电容储能系 统为 100%低地板轻轨列车供电，无需站间设置架空接触网。 2012年 8月，我国南 车株洲电力机车有限公司为轻轨列车加装车载超级电容储能系 统，车辆进站后 30s 北京交通大学硕士学位论文 内快速充满电，能够持续运行 3公里
34、到下一站再充电。 目前蓄电池与超级电容相结合的混合储能技术被广泛应用于风力发电、光伏 发电以及电动汽车中 13_14，但是应用于城市轨道交通领域还比较少。 2011年德国 西 门 子 开 发 的/ES系统已将蓄电池和超级电容器混合动力储能技术应用在 Avenio有轨电车上并在葡萄牙 Almada开始运行。超级电容存储能量 0.85kWh， 最 大输出功率 288kW。 蓄电池采用镍氢电池，存储能量 18kWh， 最大输出功率 105 kW。 在不使用架空接触网的条件下，一次可行驶 2.5公里。 在我国混合动力储能技术应用于城市轨道交通领域尚处于起步阶段，还面临 着许多技术问题如储能系统拓扑结构
35、的选择、蓄电池和超级电容容量配置、能量 管理策略、双向 DODC变换器的控制等。尤其如何协调控制蓄电池和超级电容两 种储能元件的能量分配与轻轨列车负荷特性匹配相关研究还比较少。在未来很长 一段时间内，混合动力储技术及其应用仍将是一项重要的研究课题。 1.3本文研究的内容 本课题以基于蓄电池和超级电容的车载混合动力储能系统作为研 究对象，主 要围绕储能系统中能量管理单元设计、控制和实现展开工作，实现轻轨列车在无 接触网线路上运行目标。本文共分为六章，每章的主要内容如下： 第一章首先介绍了课题的研究背景并分析了车载混合动力储能系统的意义。 其次，主要介绍了城市轨道交通无接触网供电方式发展和应用现状
36、。最后概括了 本文的主要内容和工作。 第二章首先在轻轨列车负荷特性基础上选择蓄电池和超级电容作为系统的储 能元件。然后根据实际轻轨列车技术要求完成了混合动力储能系统能量管理单元 总体设计方案。 第三章完在分析双向 DC/DC变换器原理上完成了系统建模及其控制器设计， 并通过 MATLAB仿真验证了控制策略的有效性。 第四章完成混合动力储能系统双向 ZX7DC变换器硬件设计，包括了主电路、 控制电路、驱动电路以及电源电路。 第五章在硬件平台上进行进行了双向 ZX7ZX： 变换器充放电性能测试实验以及 混合动力模式实验，对系统控制策略是否有效及硬件系统参数设计是否合理进行 实验验证。 第六章对全文
37、的工作进行了总结并对将来的工作进行了展望。 6 混合动力储能系统能量管理单元设计 2混合动力储能系统能量管理单元设计 本章首先分析了轻轨列车的负荷特性瞬时功率大而平均功率小，选择蓄电池 和超级电容作为储能元件。在此基础上完成了储能系统总体结构设计，根据储能 元件特性制定能量分配策略。最后根据实际低地板车技术参数和运行条件核算牵 引能量和功率需求并完成了储能元件的匹配设计。 2.1储能元件选择 要实现轻轨列车无接触网区运行目标，储能系统要为牵引传动系统和辅助供 电系统提供稳定的直流电压，同时吸收再生制动能量。列车运行特性曲线如图 2-1 所示，是分析轻轨列车负荷特性的基础，决定了储能变流器与主变
38、流器和辅变流 器的匹配设计。轻轨列车运行过程中主要经过四个区域：牵引、巡航、惰行和制 动阶段。轻轨列车运行特性曲线与干线铁路、高速动车的机车特性曲线设计有所 不同，运行站间距离比较短一般 1 3km左右，运行工况比较固定频繁的在几种运 行工况之间来回切换。 图 2-1轻轨列车运行特性曲线 Fig. 2-1 Light rail vehicle operation characteristic curve (i) 牵引阶段 牵引电机首先以恒转矩启动，牵引力巧保持恒定值。列车牵引功率八随着列 车速度 F不断增加，能耗增长速率也逐渐增大。由于牵引电机滑差频率 /,/500000 1500 2000
39、6000 8 混合动力储能系统能景管理单元设计 由表 2-1可知超级电容功率密度很高，可以提供瞬时峰值功率，特别适合轻轨 车辆的起动和制动，但能量密度较小，若通过多个超级电容串并联来提髙总能量 会造成储能装置重量、体积的增加。蓄电池功率密度、循环寿命比超级电容低， 但是在能量密度上具有非常好的优势，有利于低地板车有限空间的利用，但功率 密度较小。两种储能元件性能上并不是对立的，而是具有较强的互补性。将这两 种储能元件通过一定的方式组合，充分利用超级电容比功率高和蓄电池比能量高 的特点，可以增强负载适应能力，提高动态响应性能。针对轻轨列车这样的大功 率脉冲负载，能够有效减少瞬时大功率负荷对蓄电池
40、的冲击，降低蓄电池内部损 耗。能量型钛酸锂电池成组重量最轻、循环使用寿命最长在城市轨道交通领域得 到比较广泛的应用，单体能量密度是超级电容的 8 16倍，成组后更是接近 20倍。 因此本文选择钛酸锂电池和超级电容作为车载储能系统的储能元件。 2.2储能系统结构和能量分配策略分析 针对轻轨列车的实际运行工况，混合动力储能系统主要有两种运行模式：有 接触网充电和无接触网运行。混合动力储能系统总体结构框图如图 2-2所示，在电 网有电时将电网 DC750V电压转换成两路电压分别给蓄电池、超级电容充电；当 电网无电时，系统将蓄电池、超级电容储存能量转换成 DC750V的电压给车辆主 变、辅变系统供电。 图 2-2混合动力储能系统结构框图 Fig. 2-2 Hybrid eneigy storage system structure diagram 混合动力储能系统包主要由双向 DC7ZX： 变换器、蓄电池和超级电容组成。双 向 ZX7DC变换器是实现储能元件和直流电网能量交换的桥梁，每套装置包括两套 双向 ixyzx:变换器装置即斩波器 组 (蓄电