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摘要：本文以轨道交通中的超级电容再生制动能量吸收装置作为研究对象进行分析，提出了该装置的应用价值、应用现状、以及具体的开发应用要点。实践证明，超级电容再生制动能量吸收装置在轨道交通中的应用优势非常明显，可以保证轨道交通运行的质量和安全性，希望可以为相关工作人员提供参考。

关键词：轨道交通；超级电容；再生制动能量吸收装置；应用

城市轨道交通因其具有运量大、速度快、安全、舒适、准点率高等优点，成为解决我国城市交通拥堵的有效途径。但是城市轨道交通在运行过程中存在着再生制动能量难以利用的问题，并且再生制动能量还会造成直流接触网电压波动对车辆供电质量和车辆安全产生影响。因此，如何稳定车辆供电网电压，并且对再生制动能量加以利用是亟待解决的问题。为了解决城市轨道交通牵引供电系统中的再生制动能量问题，保证城市轨道交通安全、可靠运行，保障沿线用户用电需求。

1超级电容再生制动能量吸收装置的应用价值

超级电容储能装置的应用，可以充分利用现有再生制动能量吸收装置的能力，实现能量的回馈，缓解电网供电压力，提高城市轨道交通供电质量，减少轨道交通能耗，具有较大的应用价值。再生制动能量吸收装置包括：车辆制动时，存储直流牵引网的再生制动能量；车辆牵引时，向直流牵引网回馈能量；利用城市轨道交通车辆电机制动产生的再生制动能量；吸收列车制动过程中产生的能量。城市轨道交通车辆在运行过程中，通过对电机再生制动产生的能量进行回收和回馈利用，可以有效缓解电网供电压力，稳定直流电网电压。

2轨道交通中超级电容再生制动能量吸收装置的应用现状

在我国，使用最多的是电阻消耗式再生能量吸收装置、低压能馈装置和中压能馈装置，电阻消耗式技术成熟，控制简单，可靠性高，成本低，维修简便，因此，它在我国使用得最多。根据电阻的安装位置，可以将其分为车载型和地面型两种。车载制动电阻有如下缺点：①因电阻器为耗能器，在运行时会产生热量，导致巷道需要的风量增大，运行费用增大；②在高速、重载条件下，因再生制动能量较大，制动电阻温升较大，存在起火危险，危及行车安全；③刹车阻抗系统以牺牲本来就不多的空间为代价，加大了车辆本身的质量[1]。地面型电阻吸收设备能克服以上缺点，但存在不节能和噪声扰民现象。低压能馈装置和中压能馈装置将再生制动能量回馈到交流电网，其安全高效节能，但回馈的电能不能完全被地铁公司其它供电站利用而回送城市电网。近年来超级电容储能装置颇受各地轨道公司青睐，超级电容的储能在列车牵引是直接回送直流电网，与市电没关系，无需增加额外的隔离变压器，该装置已经在青岛地铁投运。

3关于轨道交通中超级电容再生制动能量吸收装置的应用开发分析

3.1应用开发难点

超级电容再生制动能量吸收装置的开发与应用，是一个全新的技术领域，需要通过大量试验验证其技术可行性和产品可靠性。超级电容再生制动能量吸收装置在轨道交通领域的应用开发难点主要体现在以下几个方面：一是要解决超级电容能量储存装置的设计、制造、检测、控制等问题；二是要解决超级电容再生制动能量吸收装置的安全性问题，保证其工作可靠性；三是要解决超级电容储能装置的过流跳闸问题，保证在紧急情况下能够及时切换到安全可靠的工作状态，使其不会对列车安全运行造成威胁。因此，需要进行大量的试验，验证超级电容储能装置的技术可行性和产品可靠性。

3.2双向DC-DC变换器作用

双向DC-DC转换器，顾名思义是在不改变电压极性的情况下，使其能够在两个方向上运行。双向DC-DC转换器可以实现双向能量的双向流通，等效为两个单向直流-直流变换器的反向并联，在要求双向能量传递的应用中，可以极大地降低系统的质量、体积和成本，提升系统效率。

3.3超级电容储能系统设计

该电容的工作原理是在电解液中嵌入两个电极，外加一个低于电解液的电势，使电解液中的正负离子快速地向两极移动，正极与负极之间的电荷相互吸附，从而在电极表面形成致密的电荷层，也就是双电层。因此，超级电容器虽然是一种电化学器件，但是它在储存能量的过程中，却没有任何的化学反应，而是一个可逆的、可以重复进行几十万次的充放电。

3.4系统建模与仿真

要确定超级电容储能系统的控制目标和需求，并设计了外环为牵引网电压环、内环为斩波电感电流环的双环控制策略，在Matlab中分别搭建了buck、boost两种模式下电流环和电压环的控制策略仿真模型如下：

从图中可以看出， Buck， boost两种工作方式都有相同的控制框图，差别只是工作周期中充电电流和放电电流及电容电压到牵引电网电压的转换函数不同；在自动控制理论中，阶跃输入是最苛刻的运行工况，若能在阶跃函数条件下达到动力学性能指标，在其它条件下，其动力学特性也足够满意，因此，电流内环与电压外环的的输入扰动信号都是步进输入。

3.5车辆运行工况模拟实验

根据其工作原理可知：在超级电容器充电时，系统工作在工作状态，此时超电容储能系统需外部供电，才能满足其储能需求。超级电容器在放电过程中处于工作状态，其自身为能量源需外部供给负荷，才能将其释放出回收的电能；另外，为了确保双环控制方案的正确运行，需要在超级电容储能装置的前端，对其进行实时仿真[2]。

3.6平台联调验证

为实现在列车运行吋使其能够正常充放电，实现节能、稳压的目标，本项目拟将其接入城轨车辆运行工况仿真平台的直流母线上，进行两个平台的联调，并接入超级电容储能装置，实现车载行驶时直流母线电压的降低超电容放电，协同整流模块对牵引电机进行供电。在空载时马达的输出功率为零，超级电容器在备用；车辆制动过程中牵引电动机处于发电状态，产生的电能使直流母线电压升高，此时双向DC-DC变换器启动buck模式超级电容器进行充电，若制动电能的额定值超出了超级电容器所能承受的最大值，那么多余的电能就被制动电阻所吸收。

4结语：

综上，城市轨道交通的快速发展，使得地铁列车运行过程中的能耗问题日益突出，所以如何有效解决其能耗问题已成为地铁运行的关键因素，超级电容再生制动能量吸收装置是一种非常有效的解决方案，并在实际应用中取得了良好的效果。

参考文献：

[1]邹文骏.苏州轨道交通列车再生制动能量吸收装置应用情况分析[J].城市轨道交通研究，2022，25（05）：21-26.

[2]白宣.北京地铁再生制动能量吸收装置节能效果对比分析[J].铁道技术监督，2021，49（05）：43-46+52.

作者简介：贺曙光（1971-04）男，汉族，工程师，大专，湖南湘潭人，主要工作方向：轨道交通再生制动能量回收。