何海軍

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213300）

1 引言

軌道交通是指運(yùn)營(yíng)車(chē)輛需要在特定軌道上行駛的運(yùn)輸系統(tǒng)，其具有節(jié)約用地、節(jié)約能源、速度快、運(yùn)輸量大等特點(diǎn)。由于軌道交通始終運(yùn)行在專(zhuān)用的行車(chē)道之上，因此其不易受到其他交通工具的影響，且線路擁堵、外界氣候等因素對(duì)列車(chē)行進(jìn)行為的干擾影響也相對(duì)較小[1]。常規(guī)的軌道交通儲(chǔ)能供電系統(tǒng)由外部電源、牽引供電系統(tǒng)、主變電所等多個(gè)結(jié)構(gòu)共同組成。在貨物供應(yīng)需求不斷增大的現(xiàn)實(shí)情況下，軌道交通貨車(chē)輪軸所需的牽引力水平也會(huì)隨之升高，此時(shí)由于儲(chǔ)能余量的改變，電子量資源的利用效率也會(huì)逐漸下降。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)的直流微網(wǎng)型供應(yīng)系統(tǒng)[2]利用柔性體系對(duì)傳輸電子量進(jìn)行處理，再按照軌道交通貨車(chē)輪軸對(duì)于傳輸電子的消耗需求，將這些傳輸電量均勻分配至各級(jí)儲(chǔ)能與供電機(jī)構(gòu)當(dāng)中。然而該傳統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用能力相對(duì)有限，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)貨車(chē)輪軸余能量的有效收集與處理。

基于上述分析，本文研究了新型軌道交通貨車(chē)輪軸余能智能收集儲(chǔ)能供電系統(tǒng)，在超級(jí)電容、雙向DC-DC 變換器等多個(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軸負(fù)荷特性的建模處理，再按照離散傅里葉變換原理，得到準(zhǔn)確的儲(chǔ)能電量約束控制條件。

2 儲(chǔ)能供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

軌道交通貨車(chē)輪軸余能智能收集儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)體系由超級(jí)電容、雙向DC-DC 變換器、均流控制電路三部分共同組成。

2.1 超級(jí)電容

超級(jí)電容是一種雙層型的電容器儲(chǔ)能元件，其供電原理與蓄電池的氧化還原反應(yīng)類(lèi)似。在此過(guò)程中，由于超級(jí)電容元件陰極與陽(yáng)極板材的存在，電解液交界面處會(huì)發(fā)生可逆的電化學(xué)反應(yīng)，從而將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)于電容元件之中[3]。

當(dāng)軌道交通貨車(chē)輪軸智能均流控制電路同時(shí)對(duì)超級(jí)電容兩個(gè)電極施加電壓時(shí)，處于電解液之中的導(dǎo)體設(shè)備會(huì)直接與電解質(zhì)相接觸，從而致使電解液界面表層產(chǎn)生符號(hào)相反、方向相同的穩(wěn)定雙電層結(jié)構(gòu)。在自由傳輸電子的作用下，這些物理電荷可跟隨電場(chǎng)行為逐漸移動(dòng)到與之符號(hào)完全相反的電極板材之上，這些點(diǎn)電荷的不斷累積，促使超級(jí)電容元件具備了較強(qiáng)的余能收集能力[4]。超級(jí)電容器件儲(chǔ)能原理如圖1所示。

圖1 超級(jí)電容器件儲(chǔ)能原理

具體超級(jí)電容元件的儲(chǔ)能量計(jì)算公式為：

其中，ε 表示電解液的儲(chǔ)能介電常數(shù)，S表示電極材料的有效表面積數(shù)值，k表示電子粒徑分布系數(shù)，d表示超級(jí)電容元件的電導(dǎo)率數(shù)值。

2.2 雙向DC-DC變換器

雙向DC-DC變換器以EN63 82 Q1主機(jī)作為核心搭建元件，同時(shí)掌管PVIN、AVIN、PGND、FQADJ等多個(gè)端口中的儲(chǔ)能電子量傳輸行為，并可借助R 級(jí)電阻與C 級(jí)電容，將這些傳輸電子轉(zhuǎn)化成既定電流與電壓應(yīng)用格式，從而存儲(chǔ)于下級(jí)供電設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中，以供軌道交通貨車(chē)輪軸元件的直接調(diào)取與利用。Vin接口端與儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的正極輸入端相連，可接收在軌道交通貨車(chē)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，未被完全消耗的傳輸電子，并可在超級(jí)電容元件的作用下，將剩余電子量轉(zhuǎn)化成便于存儲(chǔ)的應(yīng)用格式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通貨車(chē)輪軸行為的有效控制[5-6]。Vout接口端與儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的負(fù)極輸出端相連，在軌道交通貨車(chē)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，所有傳輸電子都可經(jīng)此通道進(jìn)入系統(tǒng)的儲(chǔ)能供電體系之中，一方面完善現(xiàn)有的電量應(yīng)用及存儲(chǔ)環(huán)境，另一方面也可較好干預(yù)由軌道交通貨車(chē)輪軸行進(jìn)而帶來(lái)的電力資源消耗行為，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軸牽引力作用的持續(xù)促進(jìn)。雙向DC-DC 變換器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 雙向DC-DC變換器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 智能均流控制電路

智能均流控制電路能夠提供儲(chǔ)能供電系統(tǒng)所需的全部傳輸電子量，可在超級(jí)電容、雙向DC-DC 變換器元件的作用下，對(duì)軌道交通貨車(chē)輪軸的剩余能量進(jìn)行收集與調(diào)度協(xié)調(diào)，從而使得系統(tǒng)儲(chǔ)能元件中始終能夠保持相對(duì)充盈的電量存儲(chǔ)狀態(tài)[7]。均流母線具有較高的電阻均值水平，可聯(lián)合連接電阻結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)均流控制器中的電量傳輸行為。在傳輸電壓數(shù)值得到放大的情況下，傳輸電流數(shù)值也會(huì)隨之增大，此時(shí)軌道交通貨車(chē)輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度加快，待收集的傳輸電子量數(shù)值水平也會(huì)開(kāi)始升高[8-9]。電流采樣指令必須在主功率變換單元的支持下才能夠順利進(jìn)行，隨著輪軸行進(jìn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)量的增大，系統(tǒng)儲(chǔ)能電壓的數(shù)值結(jié)果也會(huì)得到有效促進(jìn)，這也是儲(chǔ)能供電系統(tǒng)應(yīng)用能力能夠得到較好保障的主要原因。

圖3 智能均流控制電路示意圖

3 軌道交通貨車(chē)輪軸余能的智能收集控制

在各級(jí)硬件體系結(jié)構(gòu)的支持下，按照輪軸負(fù)荷特性建模、離散傅里葉變換、約束控制條件定義的流程，實(shí)現(xiàn)輪軸余能的智能收集與控制，兩相結(jié)合，完成軌道交通貨車(chē)輪軸余能智能收集儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.1 輪軸負(fù)荷特性建模

由于電能牽引力在相鄰儲(chǔ)能供電節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)值結(jié)果應(yīng)與軌道交通貨車(chē)輪軸的實(shí)際耗能量相等，因此，設(shè)△T代表軌道交通貨車(chē)通過(guò)相鄰儲(chǔ)能供電節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間，代表供電量消耗特征值，聯(lián)立公式(1)，可將軌道交通貨車(chē)輪軸余能的負(fù)荷特性建模條件定義為：

其中，ω1、ω2分別代表兩個(gè)不同的貨車(chē)輪軸余能收集系數(shù)代表相鄰儲(chǔ)能供電節(jié)點(diǎn)之間的電能消耗量均值。

3.2 離散傅里葉變換

離散傅里葉變換是通過(guò)數(shù)值干預(yù)手段對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理的方法，能夠揭示輸入信號(hào)在頻域與時(shí)域方面的內(nèi)在聯(lián)系關(guān)系。經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換處理后的數(shù)據(jù)具備更強(qiáng)的信息反饋能力，可幫助系統(tǒng)應(yīng)用主機(jī)準(zhǔn)確掌握軌道交通貨車(chē)輪軸能力的實(shí)際剩余情況，并針對(duì)其剩余數(shù)值制定合理的收集計(jì)劃，從而使得儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的處理能力得到較好激發(fā)。

在頻域與時(shí)域轉(zhuǎn)換中，為得到最終的供電量存儲(chǔ)數(shù)值，首先應(yīng)對(duì)軌道交通貨車(chē)輪軸的余能信息進(jìn)行截取與過(guò)濾處理，再?gòu)闹泻Y選出具有明顯可收集特點(diǎn)的數(shù)據(jù)以用于后續(xù)的存儲(chǔ)與應(yīng)用，在整個(gè)處理過(guò)程中，傅里葉變換原理始終為數(shù)據(jù)信息的查找與篩查提供可參考的約束條件。

首先應(yīng)對(duì)電子量信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，當(dāng)供電頻率數(shù)值等于信號(hào)采樣頻率的一半時(shí)，極易出現(xiàn)明顯的頻域混疊行為，為避免上述情況的發(fā)生，應(yīng)適當(dāng)提升電量采樣頻率的數(shù)值結(jié)果，從而使得軌道交通貨車(chē)的輪軸余能量得到有效激發(fā)。

假設(shè)x0代表最小的傅里葉離散系數(shù)，xn代表最大的傅里葉離散系數(shù)，n代表常規(guī)變換參量，聯(lián)立公式(2)，可將軌道交通貨車(chē)輪軸余能的離散傅里葉變換結(jié)果表示為：

其中，f代表電子量的頻域存儲(chǔ)系數(shù)，q代表電子量的時(shí)域存儲(chǔ)系數(shù)代表輪軸動(dòng)能的特征儲(chǔ)能參量，代表軌道交通貨車(chē)輪軸余能的離散化收集條件。

3.3 約束控制條件

約束控制條件構(gòu)建是軌道交通貨車(chē)輪軸余能智能收集儲(chǔ)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的末尾處理環(huán)節(jié)，隨軌道交通貨車(chē)輪軸牽引力數(shù)值的增大，超級(jí)電容兩端所承載的物理電壓量數(shù)值也會(huì)不斷增大，直至系統(tǒng)儲(chǔ)能供電調(diào)配主機(jī)能夠較好控制雙向DC-DC 變換器中電子量的傳輸變化能力。根據(jù)軌道交通貨車(chē)輪軸余能的離散傅里葉變換結(jié)果可知。若控制系統(tǒng)的儲(chǔ)能供電能力保持不變，則可認(rèn)為待存儲(chǔ)的電子數(shù)值總量越大，系統(tǒng)對(duì)于貨車(chē)輪軸余能的約束控制能力也就越強(qiáng)。設(shè)m代表與超級(jí)電容元件匹配的電子量存儲(chǔ)系數(shù)，聯(lián)立公式(3)，可將儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的約束控制條件定義為：

其中，v1、v2分別代表兩個(gè)不同的耗能電子供應(yīng)參量，D代表電子量導(dǎo)流系數(shù)，β代表與軌道交通貨車(chē)相關(guān)的電能運(yùn)輸條件。至此，完成各項(xiàng)理論系數(shù)值的計(jì)算與應(yīng)用，在軌道運(yùn)行環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)交通貨車(chē)輪軸余能智能收集儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的研發(fā)。

4 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證軌道交通貨車(chē)輪軸余能智能收集儲(chǔ)能供電系統(tǒng)的有效性。以圖4所示的貨車(chē)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別令該車(chē)輛在固定距離的運(yùn)輸線路之間進(jìn)行往返行駛，其中從出發(fā)點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)的運(yùn)輸過(guò)程搭載軌道交通貨車(chē)輪軸余能智能收集儲(chǔ)能供電系統(tǒng)，作為實(shí)驗(yàn)組；從結(jié)束點(diǎn)到出發(fā)點(diǎn)的運(yùn)輸過(guò)程搭載傳統(tǒng)的直流微網(wǎng)型供應(yīng)系統(tǒng)，作為對(duì)照組。

圖4 實(shí)驗(yàn)用軌道交通貨車(chē)

QZT系數(shù)可用來(lái)描述供電系統(tǒng)為軌道交通貨車(chē)輪軸所提供牽引動(dòng)力的數(shù)值水平，若不考慮摩擦力條件對(duì)貨車(chē)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)行為造成的影響，則可認(rèn)為QZT系數(shù)值越大，供電系統(tǒng)為軌道交通貨車(chē)輪軸所提供牽引動(dòng)力水平也就越高。表1記錄了QZT系數(shù)的實(shí)際數(shù)值結(jié)果。

表1 QZT系數(shù)值

分析表1可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組QZT系數(shù)始終保持不斷上升的數(shù)值變化趨勢(shì)，且實(shí)驗(yàn)前期、實(shí)驗(yàn)后期的系數(shù)增大幅度并未出現(xiàn)明顯數(shù)值差異；對(duì)照組QZT系數(shù)在一段時(shí)間的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)后，開(kāi)始逐漸趨于小幅上升的變化趨勢(shì)，在達(dá)到最大數(shù)值結(jié)果后，又開(kāi)始逐漸下降。從極限數(shù)值的角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組最大值82．1%與對(duì)照組最大值48．1%相比，上升了34．0%。

SSZ 指標(biāo)則能反映軌道交通貨車(chē)輪軸對(duì)于電力儲(chǔ)能量的利用率水平，為更好適應(yīng)軌道交通的運(yùn)輸需求，規(guī)定SSZ指標(biāo)數(shù)值越小，貨車(chē)輪軸對(duì)于電力儲(chǔ)能量的利用率水平越高，反之則越低。表2記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組SSZ 指標(biāo)數(shù)值的實(shí)際變化情況。

表2 SSZ指標(biāo)數(shù)值

分析表2可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組SSZ系數(shù)值在小幅上升狀態(tài)后，開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定，又在15min的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)后，開(kāi)始呈現(xiàn)不斷下降的數(shù)值變化趨勢(shì)；對(duì)照組SSZ系數(shù)則始終保持不斷上升的數(shù)值變化趨勢(shì)，但單純從數(shù)值變化量的角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)前期上升幅度明顯大于實(shí)驗(yàn)后期。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組最大值達(dá)到了32．5%，與對(duì)照組最大值59．5%相比，下降了27．0%。

綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知：軌道交通貨車(chē)輪軸余能智能收集儲(chǔ)能供電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用可行性，也可突出說(shuō)明其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

在直流微網(wǎng)型供應(yīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，軌道交通貨車(chē)輪軸余能智能收集儲(chǔ)能供電系統(tǒng)針對(duì)輪軸結(jié)構(gòu)體牽引能力較弱的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，在聯(lián)合超級(jí)電容、雙向DC-DC 變換器等多個(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體的同時(shí)，對(duì)輪軸的負(fù)荷特性條件進(jìn)行建模處理。不僅可對(duì)剩余能源量進(jìn)行準(zhǔn)確的離散傅里葉變換，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸電子量的有效約束控制。從實(shí)用性角度來(lái)看，QZT 系數(shù)指標(biāo)的增大、SSZ 系數(shù)指標(biāo)的減小，能夠提升儲(chǔ)能供電系統(tǒng)所提供的牽引動(dòng)力數(shù)值，從而加快對(duì)儲(chǔ)能量的消耗與利用，較為符合軌道交通領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求。