超級電容在城市軌道交通系統(tǒng)中的應用

1、超級電容在城市軌道交通系統(tǒng)中的應用近年來，為了充分利用城市軌道交通車輛（特別是輕軌和有軌電車）的制動能量，提出了多種能量管理設備，如飛輪、逆變器、超級電容等。下面就超級電容在城市軌道交通中的應用 進行初步分析和探討。1應用背景隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來越重要。我們在建設城市軌道交通時,必須考慮經(jīng)濟與環(huán)境的和諧發(fā)展。從經(jīng)濟角度看，城市軌道交通系統(tǒng)的能耗最引人關注能耗費用占了運營費用的相當大的部分。怎樣有效利用能源、減少能耗，是擺在我們面前的一個重要課題。調查顯示，在城市軌道車輛的能耗中，牽引能耗占了 90%,車輛輔助設備能耗占10%如果采取適當?shù)拇胧绾侠戆才跑囕v運行、 使用超級

2、電容等能量管理設備 ，電能消 耗量的40%就可以在車輛制動時反饋回供電系統(tǒng) ，以供給正在加速的車輛使用，如圖1所示。圏1城M軌逍車輛的制動能耗比例此外，由于列車啟動和制動會引起電壓的波動，若采用合適的能量管理設備，就可以減小電網(wǎng)電壓的波動，從而提高供電質量。2工作原理及技術特點 2.1工作原理超級電容器也屬于雙電層電容器，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其他種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。在傳統(tǒng)物理電容中，儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離，極板之間為真空（相對介電常數(shù)為1）或被一層介電物質（相對介電常數(shù)為

3、£ ）隔離,電容值為X 10'(1)式中,A為極板面積,d為介質厚度；所儲存的能量為E=1/2C（ V）2,其中C為電容 值，V為極板間的電壓降?？梢?，若想獲得較大的電容量，儲存更多的能量，必須增大面積 A 或減少介質厚度do在雙電層電容器中，采用活性炭材料制成多孔電極，同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質溶液。當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而由于電場作用，電解質溶液中的正負離子將分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成兩個集電層，相當于兩個電容器串聯(lián)，如圖2所示。圖2超級電容的技術原理由于活性碳材料具有大于等于1 200m2/g的超高比表面積(即獲

4、得了極大的電極面積A),而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm(即獲得了極小的介質厚度d),從式(1) 可以看出，這種雙電層電容器比傳統(tǒng)物理電容器的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能。2.2技術特點(1) 納米碳電極表面積可以做得很大(3 000 m2/g),而且很輕；(2) 兩電極間的距離很小，達1 nm;(3) 電解質的分解電壓：有機電解質為2.53 V,無機電解質為0.71 V;(4) 能量密度相對小(512W- h/kg),但功率密度大(達10 kW /kg),且充電速度快；(5) 充放電是純物理過程離子在電解質中的移動；(6) 內阻

5、非常小，便于實現(xiàn)高功率充放電；(7) 充放電效率高，工作溫度范圍寬，環(huán)境適應性較強。3工作模式在城市軌道系統(tǒng)中采用的超級電容主要有兩種工作模式：一種是作為能量儲存器,它吸收了車輛制動過程中產(chǎn)生的能量，直到后面有車輛處于加速狀態(tài)時才將能量釋放到供電系統(tǒng)中；一種是作為穩(wěn)壓器，它總是保持在高容量的狀態(tài)，當供電系統(tǒng)的電壓低于規(guī)定 值時才開始放電。超級電容系統(tǒng)可以自動地轉換這兩種運行模式，以便完全適應變化的運行要求。3.1能量儲存模式如果沒有能量儲存系統(tǒng)(如超級電容),如果同一時間內沒有任何其他車輛處于,在實際運加速狀態(tài)，則制動車輛產(chǎn)生的能量就會通過放熱方式消耗在制動電阻上面。然而營中，這些同步的加速和

6、制動并不能完全協(xié)調，也就是說，當一列車制動時，不可能總是在同一供電區(qū)段內有另外的列車在牽引，因此總是有部分能量以熱量的方式消耗掉。但采用超級電容，可以在制動的過程中把能量儲存下來，當有車輛加速的時候再釋放出去，這就減少了供電所中能量的耗費。圖3是2001年在德國科隆做的一次測試，從中可以看出：在t1時刻，供電段3處有一列車在加速（13為正），超級電容處于放電狀態(tài)（WSES減小,ISES為負）;在t2時刻，供電 段2處有一列車在制動（12為負），超級電容處于充電狀態(tài)（WSES增大，ISES為正）;在t3時刻， 供電段1處有一列車在制動（11為負），超級電容處于充電狀態(tài)（WSES增大，ISES為正

7、）;在t4 時刻，供電段1處的列車仍在制動，供電段4處的一列車在加速，超級電容立刻從充電狀態(tài)轉 成放電狀態(tài)（WSES減小，ISES為負）。1 *冊Tt If fl | /1筋.兇 2皿屮t'毎電電辦電j 彳*J-亠1'1If*則 p -孑_2 (NX)4* 弋心理14 hI %""1 “»-UFAi.!l.<| 鼻巳常“1 .忖<仙片1ftAf M H .F. I圖3超級電容儲能模式的動態(tài)控制響應3.2電壓穩(wěn)定模式如果沒有能量儲存系統(tǒng)（如超級電容），當有很多車輛在同一時間內加速時，則系統(tǒng)電壓會降到一個非常嚴重的水平，導致車輛頻繁地低電壓

8、波動，從而在一段時間內影響乘 客服務質量。對于這個問題，可以采用超級電容來得到解決。如果系統(tǒng)電壓降到規(guī)定的限制值,超級電容將會放電，以提高系統(tǒng)電壓。圖4是2002年在西班牙首都馬德里地鐵做的一次測試?？梢钥闯觯涸趖1時刻,由于多列車同時加速，導致系統(tǒng)電壓下降至規(guī)定的最小值，此時超絕電容開始放電（ISES為負）,一直到t2時刻，以保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在 510 V的水平；當多列車同時加速的狀態(tài)結束時 系統(tǒng)電壓回升，超級電容處于充電狀態(tài)（通過變電站或列車制動產(chǎn)生再生能量來充電）;t3、t4時刻表明，列車制動時充電電流快速上升，超級電容的能量迅速存儲起來。超級電容保證了系統(tǒng)電壓總是在一個穩(wěn)定的范圍內，牽

9、引供電系統(tǒng)的有效性增加了。圖5是2002年在西班牙首都馬德里地鐵做測試的結果?？梢钥闯?，系統(tǒng)電壓低于490V的情況不再出現(xiàn)，低于530V的情況也大大減少。4應用現(xiàn)狀4.1國外技術水平及應用情況由于制作工藝的差異，國外產(chǎn)品的性能相對要好一些，循環(huán)充放電可達50萬次。國外生產(chǎn)大容量超級電容器的廠家主要有美國Maxwell、韓國NESS俄羅斯ESMA加拿大龐巴迪、德國西門子等。其中 ，用在軌道交通領域的主要有西門子公司的SITRAS SES系列和龐巴迪公司的 Mitrac系列超級電容產(chǎn)品。據(jù)了解，目前在軌道交通領域使用的超級電容其電壓等級普遍在 1 000 V以下。西門子的產(chǎn)品應用在西班牙的馬德里、

10、德國的波鴻和科隆、美國的波特蘭等城市,其中在馬德里地鐵上使用的超級電容是放置在地面上的，由1 300個電容組成，占地2. 5m2,容量為2. 3 kW 時，功率1 MW,電壓750 V。2003年，在德國西南部城市曼海姆輕軌交通電氣驅動系統(tǒng)中，做了車載儲能系統(tǒng)的測試。輕軌車輛長 29.2 m，重35.8 t。超級電容儲能系統(tǒng)重 477 kg，外形尺寸1900mM 950mM 455mm安裝在車頂，由640支超級電容器組成，每支1 800 F/2.5V,采用空氣冷卻方式。系統(tǒng)的最大功率300 kW,儲能容量1 kW- h,放電深度50%釋放能量75%圖5系統(tǒng)電壓值的出現(xiàn)兒率為了對比，設定了列車的

11、測試運行曲線：加速至50 km/h,接著惰行，然后制動。先把超級電容儲能系統(tǒng)關斷，測試結果如圖6所示?？梢钥闯?，從供電系統(tǒng)獲取的最大功率約 為85 kW,只有很少的制動能量被回饋到供電系統(tǒng)。接上超級電容儲能系統(tǒng)，列車仍然按照設定的測試運行曲線運行，測試結果如圖7所示。從供電系統(tǒng)獲取的最大功率約50 kW,幾乎全部的制動能量被儲存到儲能系統(tǒng)。4.2國內技術水平及應用情況在城市軌道交通領域，國內仍處于研究階段，還沒有成熟產(chǎn)品。目前產(chǎn)的超級電容器主要用在電動汽車、電力系統(tǒng)等領域。其容量和功率相對較小,國內研究生,例如用在電梯節(jié)能器上的超級電容器（見圖8）,其容量為0.5 kW h,功率也只有幾十kW

12、。W 8電梯卄能器的超級屯容器單體5應用前景分析5.1技術分析超級電容裝置的關鍵技術是串聯(lián)均壓技術、充放電控制技術、能量管理技術、儲能模塊優(yōu)化技術等。這些關鍵技術在國內已有一定的基礎，只要做進一步的研究，就完全可以開發(fā)出適合于城市軌道交通系統(tǒng)應用的超級電容裝置。城軌車輛制動能量的利用與行車密度有很大關系。如果行車密度大，例如地鐵車輛的行車間隔普遍可以達到三四分鐘，則列車制動時反饋的電能基本上就能提供給其他正 在加速的列車使用。因此，作為儲能裝置的超級電容，更適合于行車密度相對較小的輕軌系 統(tǒng)。5.2經(jīng)濟分析目前，國外開發(fā)的超級電容裝置價格昂貴，一套超級電容裝置的價格高達幾百萬元。國內的產(chǎn)品價格

13、相對便宜，有的科研單位曾針對超級電容器應用于城市軌道交通系統(tǒng)進行了成本分析。5 2 1超級電容器安裝在供電系統(tǒng)上采用國產(chǎn)不對稱型超級電容器，電壓1 500 V，功率2MW儲能系統(tǒng)支撐50%勺供電功率，持續(xù)時間 30 s,所需的總能量為 30MJ,選用20 000 F/1.4 V的電容器（放電范圍1.41 V），需要3 000 支（2串并聯(lián)，每串1 500支），每支電容器400元，共120萬元，再加平衡電路、檢測與控制電 路，儲能單元總成本約 150萬元。5 2 2超級電容器安裝在列車上采用國產(chǎn) 不對稱型超級電容器，電壓1 500 V，功率600 kW，儲能系統(tǒng)支撐50%勺供電功率，持續(xù)時間30

14、 s,所需的總能量為 9MJ,選用12 000 F/1.4 V 的電容器（放電范圍1.41V）,需要1 500支,1串,每支電容器250元，總計約40萬元，再加平衡電路、檢測與控制電路，儲能單元總成 本約50萬元?？梢?如果依靠國內技術成功研制適用于城市軌道交通的超級電容器,可以大大降低設備本身的價格。6結語超級電容用在城市軌道交通系統(tǒng)既能穩(wěn)定線網(wǎng)電壓，又能回收一定的制動能量，可作為節(jié)能方案之一做進一步研究。隨著國內城市軌道交通的迅猛發(fā)展，將會有越來越多的輕軌、 有軌電車等行車密度相對小的運載系統(tǒng)出現(xiàn)。若能依靠國內技術力量，研制出適用于城市軌道交通的超級電容器，將能夠大大降低超級電容器的價格,有利于超級電容在城市軌道交通領域的推廣使用，有利于建設節(jié)能型的城市軌道交通運載系統(tǒng)。僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziell