超級電容有軌電車:正式運營,項目背景,關鍵技術,系統構成,系統功能,裝置構成,

超級電容有軌電車採用不鏽鋼材質，100%低地板設計，地板面高度為350毫米，靠車門的地板面僅320毫米，老人、小孩、孕婦等抬腳就可以輕鬆走進車內，最大載客量達380人，時速70公里。

其動力來源於9500法拉超級電容儲能供電，車輛在站台區30秒內快速充電完成，一次可運行3至5公里，制動時能將大於85%以上的制動能量回收，並反饋至超級電容形成電能儲存，實現能量的循環利用，其快充快放的特點非常適合在城市公共運輸中套用。

基本介紹

中文名：超級電容有軌電車

正式運營,項目背景,關鍵技術,系統構成,系統功能,裝置構成,

正式運營

2016年8月1日，中國首列完全自主化全線無接觸網的“超級電容”現代有軌電車正式下線。該電車具備三大比較優勢：全程無架空接觸網運行、30秒內快速完成充電、可實現能量循環利用，填補了國內同類產品的空白。

超級電容與鋰電池的充放電指標具有互補性，不僅適合可隨時充電的有軌電車，也有望在其他電動車上得到套用，顯著提升峰值輸出能力。

項目背景

廣州海珠環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，始於萬勝圍站，止於廣州塔站，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，該車採用三動一拖四模組編組，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、全線區間無觸網儲能運行

區間無觸網，車輛利用儲能裝置實現無接觸網運行，車站設有充電受流系統，當車輛進站時，通過車輛上的被動式受電器對儲能系統進行快速充電，從最低電壓到完全充滿的站內最大充電時間（含動態及停車充電）不大於30S，現場實際運行測試結果一般在15S左右。

2、能量高效及循環利用

遵循“能量守恆”科學原理，通過儲能動力器件，實現能量在牽引、制動工況的過程循環轉換與循環利用，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，與傳統有網受電式低地板車輛相比，系統節能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，實現無障礙移動

採用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、對城市環境影響少

⑴噪音低：採用彈性車輪及整車降噪技術，結構最佳化與材料組合技術，獲得輕量化和聲學性能最優平衡點，打造城市路面“靜音”公共運輸工具。

⑵由於採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，其充放電次數可達100萬次，使用壽命可達10年。該車節能環保，可緩解城市交通壓力和減少環境污染，“車輛頂部採用進站受電的方式，可有效消除供電網的視覺污染，避免暴雨季節漏電的危險。”

5、採用綠色輕量化材料，車載設備重量輕

採用最佳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10t，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；相對於常規接觸網受流系統，僅雜散電流一項，每公里可以節省30萬元～50元萬整治費用。因其能實現無接觸網運行，全線路無接觸網，線路建設投入和維護成本低。

關鍵技術

採用全無接觸網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。由於超級電容儲能電車在站內充電時間僅為20~25s，充電峰值功率可達1.6MW，連線埠電壓也遠高於常規電池儲能汽車充電電壓，針對無接觸網的超級電容儲能式軌道交通，不但要解決車輛研製技術，還需要解決高壓大功率充電技術及其裝置研製，才能實現超級電容儲能電車的安全運營。

系統構成

系統主要技術參數

充電裝置是實現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，其主要技術參數為：

序號	項目	參數
1	輸入電壓	三相AC 10kV（-15%~+7%）
2	變壓器額定功率kVA	800kVA
3	充電方式	恆流、恆功，充電方式可以自動調整
4	輸出充電電壓	最高輸出電壓≥950V，輸出電壓可在0~950V可調。
5	額定電流	1800A
6	工作制式	間歇工作制，高峰小時充電60S，周期240S。
7	輸出穩壓精度	900V±0.5%（車載儲能裝置兩端電壓）
8	效率	>95% （額定輸入，輸出電流大於80%額定電流，輸出電壓大於500V）。
9	工作溫度範圍	-25℃~55℃
10	系統回響時間	小於1s。
11	噪音水平	£55 dB
12	防護等級	不低於IP20
13	使用壽命	充電裝置應為免維護的成套設備，使用壽命≥30年。

表1 成套充電裝置主要技術參數表

系統功能

⑴移動充電功能，即：

1）當列車進入車站充電網範圍內即可啟動充電；

2）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，基本消除燃弧現象的發生；

3）在充電的過程中若發生燃弧，充電裝置能夠自我保護功能，保障設備的安全。

⑵向上行列車和下行列車的分時充電功能，即：

1）在同一時刻僅對上行或者下行列車充電；

2）當兩列車同時進站時，應先對上行列車充電，然後對下行列車充電；

3）上行和下行列車充電的切換時間不大於100ms；

4）上行和下行充電切換設定必需的電氣安全閉鎖，能夠有效防止對上行和下行充電網同時送電，有效防止同時停在上行和下行列車在車站通過充電網並聯。

⑶充電裝置與充電網之間設定隔離開關，實現維護檢修時的電氣隔離。隔離開關的狀態納入成套充電裝置的監控，並能夠在就地和遠方進行控制。

⑷監測車輛位置信息，在車輛進入充電區域時方能夠對接觸網送電；當車輛離開充電區域時充電裝置斷電，確保車站和停車場車輛充電區域處於無電狀態；

充電裝置設定有必要的安全放電迴路，使得停止充電後，充電系統的電壓在短時間內迅速降至安全電壓範圍內，保障乘客和工作人員的安全。

⑸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生變化時，僅通過調整充電裝置中的控制參數和充電策略滿足超級電容的充電要求。

⑹充電裝置的輸出特性符合下列要求：

1）紋波係數：在恆流狀態下，當輸出直流電壓在規定的電壓調節範圍內變化時，在任意數值上保持穩定，紋波電流有效值係數<±0.5%，紋波電流峰值係數<±3%；

2）輸出電流誤差：在恆流狀態下，輸出電流整定誤差<±0.5%；

3）輸出電壓誤差：直流輸出電壓設定在規定的電壓調節範圍內，輸出電壓整定誤差不超過±1%；

4）限壓特性：充電機在恆流狀態下運行時，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；

5）均流不平衡度：各模組平均輸出電流為100%額定電流時，電流不平衡度不超過±5%；

6）外特性：在恆流、恆功等充電模式下實時監控充電網電壓，防止電壓超過閾值。

⑺充電裝置的監控功能達到如下目標：

1）實時監測車站區域內車輛的運行狀態及其車載儲能裝置的狀態啟動、停止充電功能，能夠自動選擇充電參數。充電櫃應將其運行狀態數據、故障數據和控制參數上傳至上位監控系統，同時能夠接受上位監控系統的監控。充電裝置的運行參數可以通過就地和遠程設定；

2）充電櫃具有自動控制功能，根據充電櫃檢測到車輛儲能裝置的運行狀態信息，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，並將充電櫃的運行狀態實時反饋至上位監控系統。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；

3）充電櫃能夠實現自動檢測、遠方手動投切和現場手動投切，各種方式之間有可靠的閉鎖，防止發生事故。檢測、控制實現完全自動，可實現無人值守；

4）具有供值班員使用的參數設定功能，所有設定的內容不受停電和干擾信號的影響；

5）控制系統由顯示單元、微機監控單元、開關面板、主控單元、採樣單元、輸入輸出單元、及櫃內風機和照明等部分組成。

⑻通訊接口

充電裝置採用標準的數據通信口接入變電所綜合自動化系統。物理接口採用光纖乙太網口（或RJ45電口），通信速率為10/100M自適應，協定採用TCP/IP modbus開放協定；

充電裝置微機控制系統上送監控系統的信息帶有時標，時標要求精確到毫秒級，並具有與上位監控系統進行時鐘同步功能，對時方式為軟體對時，對時精度為毫秒級。

⑼數據記錄、顯示功能

實時記錄系統數據，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：

1）主接線，充電控制參數和運行狀態數據；

2）故障記錄；

3）充電裝置各個模組狀態監視；

4）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；

現場運行數據的查詢和調整採用現場液晶顯示與控制。

⑽保護功能

1）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；

2）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。

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直流電源。變流裝置由4套完全一致的裝置組成，充電機採用24脈動不控整流加後級多相buck斬波電路，具有電路簡潔、技術成熟、可靠性高的特點，廣泛套用於城市軌道交通領域。24脈動可以有效減小諧波、提高功率因數。

斬波電路採用成熟的Buck斬波電路，裝置由4個獨立的斬波電路並聯，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450A，四組並聯實現總電流1800A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。

圖1充電裝置電氣框圖

圖2變流器電氣原理圖

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衝擊。斬波電路輸出採用4相斬波並聯，4相斬波採取移相控制以利於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。

圖3四重移相斬波輸出電流波形

超級電容有軌電車