超級電容在地鐵制動能量回收中的應用研究

張秋瑞，葛寶明，畢大強

0 引言

隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來越重要。在城市軌道交通中，直-交變壓變頻的傳動方式已經普遍采用，再生制動成為列車常用制動時的主要制動方式，制動時可以實現將機械能轉化為電能，使得一部分能量能夠回饋給電網，而列車在運行過程中，由于站間距較短，列車啟動、制動頻繁，從能量互換的角度看，制動能量相當可觀[1]。由于軌道交通存在線路阻抗，列車加速，啟動電流較大，導致牽引網電壓下降；制動時，再生制動能量會反饋牽引網，使電壓抬升，造成直流母線電壓波動，為防止再生制動失效，這些再生能量除了按一定比例被其他相鄰車吸收利用外，剩余部分主要被列車或者線路上的吸收電阻以發熱的方式消耗吸收掉，這必將帶來隧道和站臺內的溫升問題，同時也會增大站內環境控制裝置的負擔，造成大量的能源浪費，并使地鐵的建設費用和運行費用增加。為了解決上述問題，可以在地鐵直流供電系統中加入儲能裝置，它在機車再生制動時吸收能量，避免能量浪費；在機車啟動或加速時提供部分功率支持，減少牽引網電壓波動。

目前，制動能量吸收方案主要有電阻耗能型、蓄電池儲能型、電容儲能型、飛輪儲能型和超導儲能型等5種[1，2]。電阻耗能只能將電能轉化為熱能排掉，造成能源浪費；蓄電池儲能系統的電池使用壽命不夠長，大量使用電池對環境造成污染；飛輪儲能質量很大，摩擦耗能問題嚴重，飛輪工作壽命短；超導儲能裝置的單位體積儲存的能量較低，在實用技術上有一定的困難。而超級電容被廣泛地應用于儲能裝置中，它具有快速充放電、低污染、高效率和維護費用低[3，7]等特點。

文獻[4]研究了超級電容器的原理與特性，主要對其建模以及充放電實驗進行研究，文獻[5，6]研究了超級電容器儲能系統的設計方案，主要對雙向DC-DC變換器的工作原理進行分析，本文根據超級電容的特點，研究利用超級電容器吸收多余的再生制動能量，避免再生制動能量對電網的沖擊。采用牽引直流側電壓作為能量控制策略依據，詳細介紹了參考電壓的給定方法，提出雙向DC-DC變換器的電壓外環、電流內環的控制方法，搭建了一個750 V直流電氣化鐵路等效模型仿真平臺，并通過仿真驗證了控制方法的可行性和有效性。

1 超級電容儲能系統

1.1 電路結構

城市軌道車輛再生制動時，牽引網電壓升高，在啟動或者加速時牽引網電壓降低，通過控制并接在直流側的雙向DC-DC變換器，對超級電容充電放電，可以實現“削峰填谷”、平衡直流側電壓和能量回收再利用的作用。為了改善整流裝置的高次諧波對電網、通訊等設備的影響，目前城市軌道交通牽引供電系統中的整流機組廣泛采用24脈動整流電路給機車供電。

1.2 24脈動整流電路

24脈動整流機組是由2套12脈動整流機組構成，當供給2個12脈動整流器的整流變壓器高壓電網側并聯的繞組分別采用±7.5°外延三角形連接時，2套整流器并聯運行即可構成等效24脈動整流器，圖1是24脈動整流電路直流側電壓輸出波形，可以看出一個周期有24個波頭，電壓脈動較小，比較平穩。

圖1 24脈動整流電路直流側電壓輸出波形圖

圖2是24脈動整流電路網側a相電流諧波分析，從圖2中可以看出，網側電流接近正弦波，諧波非常小，較明顯的為第23次和第25次諧波，與文獻[8]中分析24脈動整流電路的電網側合成電流僅含有24n±1（n為正整數）次諧波相吻合，總畸變率僅為1.25%。

圖2 24脈動整流電路網側電流波形頻譜圖

1.3 雙向DC-DC變換器

雙向DC-DC變換器在功能上相當于Boost變換器和Buck變換器的組合，可以分為隔離式和非隔離式2種，其中，非隔離式器件少、效率高、控制簡單，廣泛用于直流母線變化范圍大且需進行直流變換處理的中小功率應用場合。

在超級電容儲能裝置中，通常選擇非隔離式變換器。圖3是雙向DC-DC變換器主要工作狀態：列車牽引或加速時，電機需要較大功率，變換器等效為升壓斬波器，電流流向直流側，給直流母線充電，如圖3 a所示；列車惰行時，變換器停止工作，處于備用保持狀態；列車制動或減速時，牽引電機向直流電網反饋能量，使線網電壓抬高，超級電容器吸收回饋到直流母線上的能量，此時雙向DC-DC變換器動作，等效為降壓斬波器，從直流母線吸收能量，如圖3 b所示。通過以上3種狀態切換，既可使直流電網電壓避免大范圍波動，改善供電質量，又將列車制動能量循環利用，節約電能。

圖3 雙向DC-DC變換器示意圖

1.4 儲能裝置控制策略

圖4是儲能裝置的控制流程圖，控制的主要目的是減小電壓波動，同時還要限制充放電電流，避免過大電流損壞器件。另一方面要將超級電容儲能量控制在一個合理的范圍，既能提供一定功率輸出，也可留有一定的吸收能量空間。

圖4 雙向DC-DC變換器控制框圖

控制系統采用電壓電流的雙閉環串級控制結構，外環是電壓環，內環是電流環。列車的運行狀態由牽引、制動特性曲線唯一決定，列車的運行速度與電機電流、電壓一一對應，通過列車速度即可確定直流電網電壓參考值。控制原理是電壓給定與電壓反饋進行比較，得到的電壓誤差經電壓調節器輸出作為電流給定IL*，IL*與電流反饋IL進行比較，得到的電流誤差經過電流調節器，通過PWM控制得到驅動雙向DC-DC變換器IGBT的占空比。

本文給出了直流參考電壓Uref，為了確定直流參考電壓Uref必須遵循以下步驟：

（1）當機車牽引或者加速時，它是由減輕了牽引變電所負荷時的穩定狀態下的直流電壓值決定的。

（2）當機車再生制動時，它是由電流從牽引變電所流向逆變器還是從逆變器流向牽引變電所決定的，即電流的方向。

由于上述2個原因，直流參考電壓Uref必須在充電和放電時選擇不同的值。直流參考電壓是由異步電機的實際轉速和產生的轉矩決定的。當其產生的轉矩和轉速增加時，機車處于牽引或者加速運行模式，然后給出放電時的直流參考電壓Uref；另一方面，在其運行再生制動模式時，轉速和轉矩減小，就可以給出充電狀態下的參考電壓Uref。此外，也會給出超級電容器的充電和放電控制下的轉矩偏差信息。在轉矩突然改變之時就能控制超級電容器的充電和放電，直流參考電壓Uref的值會隨著充電或放電的不同而改變。綜上可知，當機車牽引時參考電壓Uref= 740 V，即當牽引網電壓低于740 V時，超級電容開始放電；當機車再生制動時參考電壓Uref= 770 V，即當牽引網電壓高于770 V時，超級電容開始吸收再生制動能量。另外還要估計檢測到的直流電壓Udc與參考電壓Uref的誤差，而超級電容器參考電流IL*是通過式（1）求得。

式中，Pgain和Igain分別是任意常數，通過這種方式，升壓和降壓變換器可以分不同情況恰當地控制。

2 MATLAB仿真

2.1 仿真模型的建立

使用MATLAB/Simulink建立含超級電容器的儲能裝置的750 V直流電氣仿真模型[9，10]。以磁場定向矢量控制的交流傳動系統能夠提供最佳啟動轉矩，使列車快速、平穩啟動；系統有很高的速度精度和很寬的調整范圍，能夠保證列車在各級速度穩定運行；有理想的電氣制動功能，使列車能夠可靠地制動、準確地停車，同時向電網回饋電能，牽引傳動系統逆變器采用基于 SVPWM 兩電平電壓型逆變器供電的矢量控制策略，通過控制電機的轉速來模擬城市軌道交通列車啟動、惰行和制動工況。圖5是系統仿真主電路結構圖。

圖5 主電路結構圖

2.2 仿真參數

牽引網電壓參數：牽引網Udc= 750 V；線路參數R= 0.01 ?，L1= 0.2 mH，C1= 0.124 F。

超級電容參數：電壓范圍1 200～400 V；超級電容C2= 5 F，RES= 0.06 ?、REP= 60 000 ?，最大放電電流500 A，初始電壓400 V。

雙向 DC-DC變換器參數：濾波電容C1=1 000 μF，儲能電感L= 4.17 mH。

牽引電機的參數如表1所示。

2.3 仿真結果

對文中提出以控制牽引網電壓波動為目標的超級電容儲能裝置控制策略進行仿真驗證。圖6所示為模擬列車啟動、巡航和制動過程中相應的電機速度、定子 a相電流和電磁轉矩變化圖。列車在0.6 s內加速至500 r/min，然后勻速運行，在1 s時開始減速，經過0.6 s減速至0。

表1 仿真平臺牽引電機參數表

圖6 模擬列車基本運行曲線圖

圖 7是超級電容儲能裝置投入前后牽引網電壓對比，U1是超級電容投入前牽引網的電壓，U2是超級電容投入時牽引網電壓，由圖對比可知當機車牽引時，超級電容儲能裝置釋放能量，減小牽引變電所供給的線網電流，降低線路上的阻抗損耗，有效抑制牽引網電壓的跌落；當機車再生制動時，超級電容儲能裝置吸收線路上的再生制動能量，即節約了能源，又抑制了牽引網電壓的上升。

圖7 超級電容器組投入使用前后牽引電網電壓曲線圖

仿真結果驗證了超級電容儲能裝置應用在城市軌道交通中起到“削峰填谷”的作用，較好地改善牽引網電壓，而采用的電壓電流的雙閉環控制策略也是可行的。

3 結論

本文建立了24脈動供電系統模型和矢量控制的列車牽引傳動系統聯合仿真模型，仿真結果表明，24脈動供電性能良好，大大降低了諧波含量，電壓脈動較小。然后提出了超級電容儲能裝置的組成及設計方法，對超級電容儲能裝置在城市軌道交通中抑制牽引網電壓波動、防止機車再生失效，提高直流供電網的穩定性進行了研究，提出了對超級電容儲能裝置的控制策略。通過仿真驗證了超級電容儲能裝置在軌道交通中吸收再生制動能量，抑制牽引網電壓波動，提高供電網穩定性的重要作用。

目前仿真是基于單列車四電機，單變電所為例，做了初步的討論，在將來研究中還要充分考慮多列車運行時制動能量交換問題，進而優化超級電容的容量配置及充放電控制策略。

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