集成式双向DC-DC储能低地板有轨电车牵引系统探析

在城市的公共交通工具中，低地板的有轨电车不仅舒适便捷，而且造型美观、性能优良，更重要的是其对城市环境的污染比较小，噪音低。同时有轨电车可以以小半径的轨迹来行驶，对于城市路面交通的适应性比较好。另外在相关设施的建设中不需要建造专门的高站台，有效降低了成本投入，因此在不同规模的城市公共交通中具有比较广泛的应用价值，通过有轨电车可以与公交系统以及其他的轨道交通系统进行有效的衔接，是世界上很多发达国家在城市建设中的重要组成部分，也是我国在轨道交通领域重点的发展趋势之一。有轨电车传统上依赖于接触网来对其进行供电，这种方法已经无法适应城市建设的要求，随着城市建设水平的发展和相关技术的进步，新型的储能低地板的有轨电车将成为新的发展方向。由于储能式电车有不同的储能元件，因此在牵引系统上也有所差异。本文将重点介绍集成式的DC-DC双向储能的牵引系统。

1 集成式双向DC-DC储能低地板有轨电车牵引系统的主要特点

有轨电车的牵引系统主要包括控制系统、主电路系统以及牵引相关的装置。本文所介绍的集成式双向DC-DC储能有轨电车的传动系统采用的是轴控逆变器和永磁同步电机的交流传动方式[1]。该有轨电车启动的最大轮缘牵引达到了88kN，其速度在恒牵引力作用下为0～30km/h，在恒功作用下为30～50km/h，在自然特性条件下可以达到50～80km/h。有轨电车在恒功起点的牵引力是88kN，自然起点的牵引力则是44kN。

2 集成式双向DC-DC储能低地板有轨电车的电制动特点

有轨电车电制动的最大轮缘力可以达到96kN，其速度在自然特性条件下在80～50km/h这一范围内，而在恒电制动条件下则可以达到50～5km/h。

有轨电车在制动时的基本原则是电制动优先，而如果电制动无法完全实现制动时，则由液压制动提供相应的补充。一般正常运行状态下可以依靠纯电制动，并达到5km/h的时速。如果需要进行紧急制动时则应采用电制动与磁轨制动和液压制动相互配合。

当网压处于DC900V和DC750V这一区间内的时候，网压变化将直接影响电制动的特性，网压与其恒力矩的重点呈现线性变化的趋势。而当网压超过了DC900V的时候，其电制动的特点不再发生变化[2]。

3 集成式双向DC-DC储能有轨电车牵引系统的主要电路和功能

该储能式有轨电车的牵引系统由DC-DC双向变换器、辅助逆变器、牵引逆变器以及制动的斩波器共同构成。如果有轨电车处于有网区段的时候，其电网的电压变化范围在DC500～900V区间，其主变流器均能保持正常的工作状态，且能够有效转换牵引与制动，从而实现对有轨电车进行牵引和制动操作。DC-DC双向变换器可以利用降压斩波的方式来实现给超级电容进行充电。如果有轨电车处于无网区段的时候，在牵引过程中，DC-DC双向变换器则可以利用升压斩波的方式输出储存在超级电容内的能量，使辅助逆变器以及牵引逆变器能够正常工作，保证这些装置对供电的要求。当需要进行电制动时，DC-DC双向变换器则优先通过降压斩波的方式为超级电容进行充电。

牵引逆变器和牵引永磁电机所构成的传动系统采用的是二电平的直交逆变设计，VVVF逆变器将通过DC-DC双向变换器的斩波升压向超级电容提供750V的直流电转变为电压和频率都可以调节的交流电，并为牵引永磁电机提供电源。在VVVF逆变器中主要包括了两个逆变器，分别负责驱动一台牵引电机。在其所有输出端口设置了接触器，这在系统发生故障的时候就可以对牵引电机进行隔离[3]。

4 集成式双向DC-DC储能有轨电车牵引系统的主要策略

其中DC-DC控制器主要采用的是电流内环和电压外环的控制策略，这是一个双闭环的控制方式。如果有轨电车在电制动状态下或在有网区段时，DC-DC控制器就处在降压的工作模式下；如果有轨电车在牵引状态下运行或在无网区段的时候，该DC-DC控制器则处在升压的工作模式下。不同工况下的DC-DC双向控制器则按照超级电容的要求对其进行充电或者放电的操作。

有轨电车在无网牵引状态下时，有可能发生DC-DC控制器的输出功率低于牵引功率的情况，这主要是由DC-DC控制器在升压状态下的输出功率具有一定的自然特性。所以在无网牵引工况下控制器要实时计算超级电容的功率极值，对电机变量进行实时的控制，以此来限制电机牵引功率的发挥，从而为牵引功率实现充分发挥提供可靠的保障，使电压和牵引力矩能够保持稳定。

5 结束语

经过设计优化后的集成式双向DC-DC储能低地板有轨电车的牵引系统不仅使有轨电车的牵引系统实现了轻量化和小型化的目标，而且提高了系统运行的安全性和可靠性。这一系统是我国自主研发的有轨电车牵引系统。在研发成功后进行了大量的考核试验，而且在无网以及有网区段等不同工况环境下都可以实现电能和动能间的高效转换，并保证运行的安全。