抑制車載儲能系統(tǒng)直流環(huán)節(jié)電流脈動方法研究

都業(yè)林， 石慶賀， 徐恩偉

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028；2.沈陽鐵路局 沈陽機務(wù)段，遼寧 沈陽 110001；3.大連萬通工業(yè)裝備有限公司 技術(shù)部，遼寧 大連 116023)

目前，在實現(xiàn)城市軌道車輛車載超級電容器儲能再生制動時，由于儲能裝置一般是由DC/DC變換器組成，所以在工作的過程中，DC/DC變換器中開關(guān)元件在高頻率下不斷的導(dǎo)通和關(guān)斷，這勢必會導(dǎo)致直流環(huán)節(jié)電流的強烈脈動，從而引起較高的電磁干擾，這也是儲能再生制動裝置尚未廣泛應(yīng)用于實際的主要因素之一。

本文針對城市軌道車輛典型工況電流脈動進行分析，研究抑制儲能再生制動系統(tǒng)直流環(huán)節(jié)電流脈動的方法。并在此基礎(chǔ)上提出一種新型雙單元結(jié)構(gòu)儲能裝置。可以有效抑制直流環(huán)節(jié)電流脈動。

1 超級電容儲能再生制動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

常規(guī)車載超級電容儲能再生制動系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由車輛牽引直流環(huán)節(jié)、直流環(huán)節(jié)支撐電容Cf、牽引逆變器、牽引電機、雙向DC/DC變換器、儲能電感Lm、超級電容模塊組C組成。超級電容儲能再生制動系統(tǒng)參數(shù)見表1。

圖1 超級電容儲能再生制動系統(tǒng)

2 車載超級電容儲能系統(tǒng)電流脈動仿真分析

2.1 車載超級電容儲能系統(tǒng)制動工況工作方式

當城市軌道車輛進入再生制動工況時，此時牽引電機進入發(fā)電工況，通過工作于脈沖整流工況下的“牽引逆變器”向直流電網(wǎng)反饋能量。若沒有其他設(shè)備和車輛及時吸收制動能量，則會使得直流牽引電網(wǎng)電壓升高，并且高于直流網(wǎng)壓，若達到一定的值(本系統(tǒng)設(shè)置為800 V，牽引供電系統(tǒng)電壓最高值為900 V)，并且保證超級電容電壓小于其最大工作電壓允許值450 V，則儲能變流裝置開始工作，通過控制電路控制雙向DC/DC變換器主電路工作于Buck電路模式，對超級電容進行充電，保證支撐電容電壓平穩(wěn)，通過控制平均充電電流的大小，進而實現(xiàn)超級電容充電功率與車輛電氣制動功率的平衡，達到儲能和降低直流網(wǎng)壓的目的。

表1 超級電容儲能再生制動系統(tǒng)參數(shù)

2.2 儲能再生制動系統(tǒng)模型

本文從列車的運行曲線入手，依據(jù)某已知的列車某一制動特性曲線計算，結(jié)合列車速度—時間曲線，計算得到列車功率—時間曲線。因此列車可以等效為一個功率源，輸出功率隨時間變化而變化，也就是一個受控電流源。

根據(jù)車載超級電容儲能再生制動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)建立制動工況下仿真模型，如圖2所示。

圖2 儲能再生制動系統(tǒng)制動工況仿真模型

2.3 仿真結(jié)果分析

仿真過程中直流環(huán)節(jié)電流波形及FFT分析如圖3所示。

圖3(a)所示為超級電容充電過程中直流母線電流變化情況，直流母線上的電流幅值從500 A逐漸減小至150 A，圖3(b)為直流母線電流幅值最大階段3個周期的波形，電流從500 A到0 A之間不斷脈動變化，對其進行FFT分析，諧波含量如圖3(c)所示。從圖3中可以看出，高次諧波含量較多，幅值較大，分數(shù)諧波幅值較小，這說明各次諧波分量占直流分量很大部分，具有較多的高次諧波，因此這會引起強烈的電磁干擾。

(a)直流母線電流

(b)直流母線局部電流

(c)直流母線電流FFT分析

3 抑制直流環(huán)節(jié)電流脈動的方法

3.1 影響直流環(huán)節(jié)電流脈動的因素

從本文所研究的車載超級電容儲能系統(tǒng)控制策略上來說，開關(guān)頻率的大小及PI調(diào)節(jié)參數(shù)值得選取亦是引起直流環(huán)節(jié)電流脈動的因素，但通過反復(fù)試驗即可得到合適的值，本文這里不做詳細的研究。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上來講，系統(tǒng)中的儲能電感和支撐電容的大小對電流脈動有著直接的影響。儲能電感主要起儲能和減小電流峰值作用；支撐電容的主要作用是穩(wěn)定中間直流電壓，提供瞬時能量交換，與電源及超級電容儲能裝置交換無功。因此從理論上來講電感值和支撐電容值越大越有利于抑制直流環(huán)節(jié)電流的脈動，但限制于列車上的空間及成本因素，不能取值過大。針對這一情況，在不改變系統(tǒng)原有體積的條件下，下面提出一種新型超級電容儲能裝置。

3.2 新型超級電容儲能裝置仿真分析

根據(jù)超級電容的串并聯(lián)特性，不改變原系統(tǒng)的容量，將原有的40個超級電容模塊通過4并10串組成的480 V、24 F超級電容組進行拆分，分成2并10串的單元式480 V、12 F超級電容組，對單元式超級電容組分別進行控制。在此基礎(chǔ)上提出一種新型技術(shù)方案，如圖4所示，該系統(tǒng)由車輛牽引直流環(huán)節(jié)、直流環(huán)節(jié)支撐電容Cf、牽引逆變器、牽引電機、雙單元儲能模塊、濾波電容，超級電容模塊組C組成。新型儲能再生制動系統(tǒng)參數(shù)見表2。

圖4 改進的儲能再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表2 新型儲能再生制動系統(tǒng)參數(shù)

3.3 新型儲能再生制動系統(tǒng)與原系統(tǒng)的性能比較

新的儲能再生制動系統(tǒng)工作方式與原系統(tǒng)工作方式基本一致，不再贅述。這里主要介紹與原有系統(tǒng)的區(qū)別。

(1) 由于新系統(tǒng)引進雙單元結(jié)構(gòu)，因此控制策略較之原系統(tǒng)不同，采用錯相控制技術(shù)進行移相半個周期的方式進行控制，這種方式有利于減小直流環(huán)節(jié)電流脈動，從而達到減小電磁干擾的目的。

(2) 在單元式儲能裝置中加入濾波電容，同時增大儲能電感的值。

(3) 開關(guān)頻率選擇2 kHz，由于采用錯相半個周期控制技術(shù)，使得系統(tǒng)等效開關(guān)頻率變成4 kHz，相當于增大開關(guān)頻率。

3.4 仿真模型

根據(jù)新系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，建立仿真模型，如圖5所示。

圖5 改進的儲能再生制動系統(tǒng)制動工況仿真模型

3.5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)表2中的參數(shù)對仿真模型進行設(shè)置，仿真過程中電流電壓波形如圖6所示。

(a)直流母線電流

(b)直流母線局部電流

(c)直流母線電流FFT分析

圖6(a)所示為超級電容充電過程中直流母線電流變化情況，其電流幅值最大值為230 A,比原系統(tǒng)減小大約270 A, 因此直流母線上的電流脈動量很明顯較之原有系統(tǒng)減小了很多，取脈動最大處的局部電流波形觀察，如圖6(b)所示，電流最大峰-峰值為170 A，較原有系統(tǒng)500 A降低了330 A，能夠很好地減小系統(tǒng)的電流脈動。對其進行FFT分析，如圖6(c)所示，直流分量含量最大，分數(shù)諧波含量基本沒有，雖然存在一定量的高次諧波，但由于脈動量的減小，所以影響并不嚴重。因此由以上仿真波形可以得出結(jié)論，在制動工況下，新型儲能再生制動系統(tǒng)有效地減小了直流環(huán)節(jié)的電流脈動情況，從而達到減小電流脈動引起的電磁干擾問題。

4 結(jié)束語

本文對車載超級電容儲能再生制動系統(tǒng)進行典型工況仿真分析，結(jié)果表明其直流環(huán)節(jié)存在強烈的電流脈動。然后提出一種新型儲能裝置方案，即在不改變系統(tǒng)容量的前提下采用雙單元錯相控制的超級電容儲能再生制動系統(tǒng)，仿真分析結(jié)果表明，能夠有效抑制直流環(huán)節(jié)電流的脈動。

參考文獻：

[1] 孔令洋.城市軌道交通系統(tǒng)型式選擇研究[D].北京:北京交通大學，2009.

[2] 王彥崢,蘇鵬程.城市軌道交通再生電能回收技術(shù)方案的研究[J].電氣化鐵路，2004(2):37-40.

[3] 武利斌. 基于超級電容器的城軌再生制動儲能仿真研究[D].成都：西南交通大學,2011.

[4] 朱紅衛(wèi).基于超級電容器的地鐵再生制動儲能系統(tǒng)的研制[D].長沙：中南大學，2012.

[5] 宋奇吼,李學武.城市軌道交通供電[M].北京:中國鐵道出版社，2009.

[6] 池耀田. 城軌交通系統(tǒng)儲能器的發(fā)展[J].都市快軌交通,2005，18(3):1-6.

[7] 張臣，陳杰.車用超級電容器應(yīng)用設(shè)計[J].電源技術(shù),2006，30(9):740-743.