有轨电车超级电容成套充电装置-介绍-北京科锐3-20150917

现代有轨电车超级电容成套充电装置介绍北京科锐配电自动化股份有限公司北京科锐博润电力电子有限公司北京科锐配电自动化股份有限公司是技术导向型配电设备制造企业，1988年创建于中国电力科学研究院。公司是国家火炬计划重点高新技术企业、北京市高新技术企业、海淀区优秀新技术企业、中关村科技园区海淀园百强企业。武汉生产基地1988-1990初创1991-1993探索1994-1998快速发展1999-2001产业化2002-稳定发展北京科锐在多年技术研发的基础上，形成了中低压开关、配电变压器、配电自动化、电缆附件、电力电子等五个产品系列，提供智能配电、预装式变电站、地埋变等解决方案，应用遍及全国各省的配电网及铁路、轨道交通、冶金、石化、煤炭等领域和风电、光伏等新能源建设。目录现代有轨电车供电技术概况充电装置基本原理控制保护策略装置设计装置性能及技术优势本项目是针对基于超级电容储能的现代有轨电车对大电流、高电压充电装置的应用需求而立项，具备充电容量大、高可靠性、适应性强、监控完善、环境友好等特点。有轨电车是采用电力驱动并在轨道上行驶的轻型轨道交通车辆。有轨电车是一种公共交通工具。电车以电力推动，车辆不会排放废气，是一种无污染的环保交通工具。100%低地板现代有轨电车采用无弓受流、超级电容等尖端技术，地板距轨面仅35厘米，最大运量是公交车的6至8倍。车辆可采用车载储能提供动力，提供运营正线无触网，绿色环保、低噪音，是当今世界最先进的城市交通系统之一。现代有轨电车概况编号方案名称供电（万元/公里）车辆（万元/辆）主要技术优缺点项目情况1APS法国阿尔斯通3000~40002200景观效果好；技术较成熟。成本高、与车辆招标绑定、国产化率低、车辆限速。波尔多、兰斯、奥尔良、昂热、迪拜、巴西利亚2Tramwave意大利安萨尔多3000~40002200景观效果好。技术成熟度一般，成本高、与车辆招标绑定。珠海、北京、那不勒斯3Primove加拿大庞巴迪3000~40002200景观效果好；技术不成熟、成本高、国产化率低。车辆招标绑定。800m试验线4接触网3001850技术成熟；景观效果较差。应用广泛5超级电容4501900技术较成熟；景观效果好。广州、淮安、宁波、武汉现代有轨电车主要供电制式APS供电原理示意图APS供电线路轨道铺设APS供电技术原理：车辆底部安装受电靴，运行过程中，感应装置感应到有车辆通过时，相应的导电段接通电源而带电，车辆通过受电靴取电，没有车辆通过的区域接触轨不带电，以保证安全。应用：国外波尔多、昂热、奥尔良、兰斯、迪拜、巴西利亚6个城市采用此种方式。埋设在地下的电源模块车辆底部的磁性受流器导电轨电源正级活动触点磁性模块Tramwave供电技术原理：在轨道中间下方埋设电源，电源上方铺设导电轨，当电车通过时，受车底安装的磁性受流器作用，导通模块在磁力作用下上升，将电源和导电轨导通，受流器与导电轨接触得电。电车通过后，导电模块受到的磁力逐渐消失，落回原位，导电轨断电，保障车辆及行人安全。应用：意大利那不勒斯有600m试验线；珠海现代有轨电车采用Tramwave供电技术，首期线路总长8.9km，均为地面线，项目已进入试运行阶段；北京现代有轨电车西郊线线路全长9.038km，线路正线主要采用架空网，局部地段（长约2.2km）采用Tramwave供电技术，项目在建。原理：电磁感应供电技术利用电磁感应现象，将电缆回路预先埋设在轨道结构下方，车体底部安装有耦合线圈。车辆启动时通过车载储能装置启动，运行过程中，电缆回路通电形成电磁场，车辆上的耦合线圈不断切割磁力线产生电磁感应，形成电流，为车辆供电的同时给车载储能装置充电。应用：该技术尚无实际商业运营线路，在德国Augsburg（奥格斯堡）有条800m试验线。试验线（德国Augsburg）线路中铺设的线圈车底受流器Primove供电技术原理：车辆装设超级电容储能，列车进站后在20~30s内完成充电过程，列车充电后可续航2~4km。应用：该世界首条示范线广州海珠线于2014年12月31日运行，淮安、宁波线正在调试，武汉汉阳、东湖线正在建设。正线轨道站台充电装置车站接触网超级电容储能供电技术广州市海珠有轨电车2014年12月31日，世界首列超级电容有轨电车在广州市海珠区全长7.7公里有轨电车试验段投入试运行。现代储能式有轨电车，依靠车站充电装置充电。车载储能介质为超级电容。1.最高运行速度：70km/h2.供电电压：DC900V3.电压波动范围：DC400-900V4.编组：4组5.超级电容：三组并联每组电容的容量：43.6F等效容量：43.6F×3=130.8F车辆的主技术参数序号项目主要技术参数1供电制式全线超级电容供电2储能装置类型超级电容3制造商宁波南车新能源4单列车配置储能容量14.7kwh5单列车配置储能装置重量约3.6吨6充电特点站站充广州海珠线广州海珠线路口区间段车辆车站序号供电制式代表项目优势不足一接触网苏州高新1号线成熟可靠景观一般二接触网+路口储能供电沈阳浑南新城线较成熟可靠沿线景观一般三蓄电池南京河西新城线沿线景观好，续航能力强。起动动力不足，蓄电池进口成本高。四超级电容广州海珠线沿线景观好超级电容技术已发展到一定成熟度，但投入运营时间较短。五（正线）地面第三轨+（车辆段）接触网+（道岔区）超级电容珠海线、北京西郊线沿线景观好供电专利技术与车辆招标绑定；建设成本高；国内有轨电车项目供电制式对比分析目录现代有轨电车供电技术概况充电装置基本原理控制保护策略装置设计装置性能及技术优势超级电容超级电容等效电路超级电容器组一般由大量的超级电容串并联组，优点包括：功率密度非常高充电速度快使用寿命长（充放电循环次数可达十万次以上，且不用维护）工作温度范围大可靠性高对环境无污染等超级电容充电特性恒流充电恒压充电恒功率充电恒流转恒压充电恒流转恒压充电的优点：当较大电流充电时能节省充电时间，后期采用恒压充电时，可解决超级电容单体间的均压问题。常用超级电容器充电模式t1t2t3t4①IITTV1V2V3V4②③④⑤⑥Vmax超级电容充电过程充电过程如右图所示：0-t1阶段，工作在大电流恒流充电状态；t1-t2阶段，工作在恒压充电状态；当电流降至0充电自然结束充电时间可以在曲线的任意点结束Io1800AV250V900VVoVct1t2超级电容充电过程波形示意图完备的保护功能，多重保证负载（超级电容）不过流充、不充爆（电压过高）。超级电容充电装置技术参数1.输入电压：三相AC10kV2.输出电流：0-1800A可调3.输出电压：400-900V可调4.输出功率：1620kW5.充电时间：30s，间歇工作6.充电方式：恒流、恒压、恒功率，充电方式可以自动调整7.稳压精度：≤±0.5%8.稳流精度、纹波指标满足超级电容充电要求9.具冗余运行模式10.效率：＞95%（额定输入，输出电流大于80%额定电流，输出电压大于500V）成套充电装置牵引用电负荷主要由列车牵引负荷和车站、停车场的辅助系统用电负荷构成，每个车站设置直流充电装置。单行线储能设备每次充电时间不大于30s，充电功率大、充电速度快。车站充电功率时间曲线成套充电装置第一代充电装置外形尺寸1200mm*4400mm*2200mm第三代充电装置本体外形尺寸850mm*1695mm*2200mm充电装置的关键技术有轨电车超级电容成套充电装置完全属于自主开发，具有自主知识产权。关键技术：充电装置充电模式控制策略车载电容状态的实时监测技术车辆进出站检测技术装置启停充电的判断策略充电逻辑的研究充电接触网燃弧检测技术充电装置冗余运行研究充电站电气原理图超级电容成套充电装置由10kV供电，经整流变压器降压变换到0.95kV，经过变流装置的变换，输出电压电流均可调节，根据充电逻辑分配到车站上下行接触网，实现对车载超级电容的充电。充电柜电路拓扑图功率单元结构紧凑，易于维护的核心部件输出开关柜电气原理图ZKM1—上行充电开关ZKM2—下行充电开关HV1—--上行接触网电压传感器HV2—下行接触网电压传感器V1—上行接触网电压表V2—下行接触网电压表上下行充电开关互锁电路2011—上行隔离开关2021—下行隔离开关FV1—上行避雷器FV2—下行避雷器FU1—上行直流熔断器FU2—下行直流熔断器•采用非接触式RFID射频检测技术，避免车辆与站台充电装置的直接电气连接，提高可靠性；•采用更高频率的5.8GHz远距离射频技术，对高速运动物体检测更准确；•标签设置于车辆顶，在以受流器为中心的两侧相对位置各放置一组标签，具备双向检测及过站检测功能；车辆位置检测车辆位置检测用于准确判定车辆进出站及方向，并据此实现充电启停控制，争取最大充电时间，避免离站拉弧。车辆进出站检测实际信号绿色通道为车辆的进出信号，前一个脉冲群是车辆进站信号，后一个脉冲群是车辆出站信号。车辆位置检测电容状态监测在充电过程中，应该对车载电容的状态进行实时监测，并根据车载超级电容的状态，来调整充电电流的大小，尽最大能力来保证车载超级电容的安全。充电自适应控制duICdt其中C为超级电容容量；I为充电电流大小；为电容电压变化率dudt在充电过程中，将试验的两组并联的超级电容，切除一组，从波形图中可见充电电流自动降额50%，继续给另外一组超级电容进行充电。充电接触网燃弧检测如果连续20ms输出电压均未过压，并且设备无其他故障，则设备重新启动输出。如果连续20ms输出电压均过压，设备跳闸退出。如果设备重启2次之后，仍然出现过压，设备跳闸退出。如果接触网电压消失，则充电过程结束，装置进入待机状态。目录现代有轨电车供电技术概况充电装置基本原理控制策略装置设计装置性能及技术优势充电控制策略充电装置开始阶段以恒流模式进行充电，充电电流1800A，在接近900V时，自动切换到恒压模式，对车载超级电容进行浮充，补充车载辅助设备的耗能，并维持车载超级电容电压的稳定。充电装置采用载波移相角度自调整控制技术，降低输出电流纹波。当某一个斩波电路故障时，控制器自动能够自动识别故障模块是否被隔离。如果检测到故障模块已被隔离，控制器能够自动调整相应参数，进入冗余运行模式。充电曲线载波移相控制核心采用电流内环控制加电压外环控制，附加最大功率限制控制充电控制策略蓝色波形为充电电流参考，绿色为充电功率控制输出，先后为恒流充电模式（4~16s）、恒功率充电模式（16~27s）、恒压充电模式（27~35s）。参考电流及充电功率波形内环电流控制采用自适应比例积分闭环控制实现，最终输出斩波比。充电控制策略1112221233331()3uIRuIRRRRRuIRthrefUUIR根据超级电容等效电路模型实现平滑恒流转恒压模式列车移动充电技术基于电弧控制的列车移动充电控制策略：除对列车进站判断外，还对列车进站车速进行判定。当车辆进入车站充电网范围内，且速度低于设定车速可启动充电，车辆离站充电装置立即停止充电，充电过程中发生燃弧，立即停止充电（保护控制）。充电装置的启动控制逻辑上下行车辆充电逻辑：1.上下行车辆同时进站，先对上行车辆充电，然后对下行车辆充电；2.若下行车辆正在充电过程中，上行车辆进站待充电，则先完成下行车辆充电后再对上行车辆充电；3.不允许同时对上下行车辆进行充电；4.上行和下行充电回路采用电气和机械安全闭锁，防止对上行和下行充电网同时供电；5.上行、下行充电切换时间小于100ms；充电时序T1---充电轨电压建立到进站信号出现之间时延。T2---进站信号脉冲群的宽度。T3---设置T3=3秒，可以保证车辆20km/小时跃站，不会造成出站信号漏检。T4---设置成2秒，即电压建立后2秒启动充电。T5---恒流充电阶段T6---恒压充电阶段T7---检测到出站信号，停止充电。充电装置的故障处理•故障分为硬件自检故障、轻微故障、一般故障与严重故障。•采用安全导向设计理念，检测状态异常后导向安全。•根据故障类别及故障分区，通过功率单元闭锁、输出开关分断、输入