城軌列車超級電容儲能系統仿真分析

【摘要】本文針對城市軌道交通中再生制動能量吸收系統展開了研究。文中主要探討了超級電容儲能系統的控制策略，針對系統的儲能模式進行了建模與仿真，定性分析了仿真結果，提出了安全可靠的控制策略，對城軌列車超級電容儲能系統的實際應用具有一定的指導和借鑒意義。

【關鍵詞】超級電容；再生制動能量；能量管理

Abstract：In this paper，the charging and discharging control strategies of the super capacitor energy storage system has been discussed.First，through the super capacitor energy storage system for analysis，the corresponding mathematical models，and propose a super capacitor charging and discharging control strategy.Secondly，the paper has simulated the Voltage change of the grid by Matlab/Simulink simulation platform and super capacitor energy storage system which provides a theoretical guidance and application basis for the practical engineering.

Key Words：Ultra-Capacitor；Regenerating energy；Energy management

1.引言

在全球倡導節約能源、保護環境的今天，軌道交通節能、環保的優點越來越受到人們的重視，大力發展城市軌道交通已成為世界各國的共識。城市軌道交通由于其運輸量大，啟、制動頻繁，采用再生制動方式的電制動，進一步降低了列車的運行能耗，使軌道交通在節能運行方面的優勢更加突出。同時，使用再生制動方式，列車產生的再生能量全部回饋到直流母線并供給同一供電區間內的其他車輛使用，節能的同時，也進一步降低了車輛運行的維護工作量，提高了車輛的運行可靠性[1]。

再生制動能量吸收裝置主要由電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型等幾種方案[2]。超級電容具有充放電速度快、功率密度高、工作溫度范圍寬、環保無污染、使用壽命長等優點，非常適合應用于城市軌道列車再生制動能量的吸收裝置中。

2.超級電容儲能系統

本文以城市軌道交通再生制動地面式超級電容儲能系統（Ultra-Capacitor Energy Storage System）為研究對象。其基本結構如圖1所示[3]。主要由兩部分組成：一是超級電容器組；二是能量變換裝置雙向DC-DC變換器。當地面式超級電容器組附近有列車制動或減速時，直流電網電壓升高，經雙向DC-DC變換器，超級電容器組吸收再生制動電能；當附近有列車啟動或加速時，直流電網電壓下降，超級電容器組釋放存儲的能量，經雙向DC-DC變換器提供給列車使用。這兩種工作方式，都實現了一定的穩定網壓的作用，同時實現了能量的重復利用。

2.1 超級電容器組

超級電容器實質上具有一種復雜的電阻電容網絡結構，由很多單體超級電容串、并聯組合成的。在做儲能器件時，超級電容器的工作狀態以比較頻繁的充放電為主，可以簡化其中的超級電容為一個等效串聯電阻和一個理想電容構成。這種RC等效模型簡單，且能夠較準確地反應出超級電容器在充放電過程中的外在電氣特性，便于解析分析和數值計算。

如果放電過程中，超級電容器組的電壓從變換至，可得超級電容器組釋放能量為：

在已知列車牽引網、制動能量，直流電網電壓和超級電容單體參數，便可確定超級電容器組中串并聯電容個數，并聯支路數，以及額定電壓、電流等詳細參數。本文研究的超級儲能系統由3240個單體電容組成，按照8并12串為一個模組，總共45個模組，所有模組串聯組合而成。

2.2 雙向DC-DC變換器

雙向DC-DC變換器實現的功能相當于boost-buck變換器，變換器兩端電壓不變，但電流方向改變，實現能量轉換。雙向DC-DC變換器分為隔離式和非隔離式，非隔離式器件少、控制簡單，廣泛用于飛輪儲能、風力發電等直流母線電壓變化范圍大，需要進行直流轉換的中小功率應用場合。

在超級電容儲能系統中，通常選擇非隔離式，如圖2所示。主要工作在3個工作狀態：列車制動時，網壓上升，變換器等效為降壓斬波器，把電網多余能量傳遞給超級電容器組；列車惰性時，變換器不工作，處于備用狀態；列車牽引時，網壓下降，變換器等效為升壓斬波器，超級電容器將存儲的能量反饋給列車，輔助列車啟動。通過以上三個狀態的輪替，即實現了能量的循環利用，同時，是直流電網電壓避免了大范圍波動，改善用電質量。

圖2 雙向DC-DC變換電路

3.超級電容儲能系統的數學模型分析與仿真

超級電容儲能系統主要由超級電容器組和雙向DC-DC變換器構成。結合兩者的特性，利用狀態空間平均法分析儲能系統的控制模型。狀態空間平均法是從變換器一個周期內隨開關狀態不同而不同拓撲出發，建立對應的狀態微分方程組，從而較為方便進行變換器的控制設計和性能分析。

采用狀態平均法對雙向DC-DC變換器的降壓斬波器和升壓斬波器分別建模，最終得到統一的控制模型[4]。由圖2電路可知，超級電容儲能系統的運作主要通過S1和S2兩個IGBT的導通與斷開控制。列車制動時，超級電容處于充電模式，S1導通，S2開；列車啟動時，超級電容處于放電模式，S2導通，S1斷開?？紤]都S1和S2在充放電過程中處于工作互補狀態，我們將其看成一個互補的數字開關，這樣得到其等效電路，如圖3所示。其中i0為直流電網輸入電流，U0為直流電網電壓，USC為超級電容器組端電壓，C1為濾波電容器，L0為濾波電抗器，CSC和R為超級電容器組容量和電阻，iL為與超級電容器組串聯的電感電流。

圖3 雙向DC-DC變換電路等效電路

3.1 超級電容儲能系統數學建模

為了驗證超級電容儲能系統控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink搭建了單變電所單列車仿真平臺。仿真平臺包括了列車運行系統、超級電容儲能系統兩大部分。超級電容參數：額定電壓1458V、內阻13.5mΩ、電容值44.44F、初始電壓600V。雙向DC-DC變換器參數：濾波電容0.01F、濾波電感4mH、儲能電感2.5mH。

列車啟動，線網電壓下降，當線網電壓低于1450V是，超級電容儲能系統釋放能量；惰性期間，停止工作；制動期間，線網電壓高于1630V時，超級電容儲能系統吸收能量，當高于1650V時，地面電阻投入使用，消耗多余能量。

仿真一輛列車啟動出站，無超級電容儲能系統，線網電壓變化如圖7所示。加入超級電容儲能系統后，當線網電壓低于1450V時，超級電容儲能系統投入工作，控制變換器模塊工作在Boost狀態，超級電容儲能模塊向線網釋放能量，如圖8所示。對比仿真結果，線網最低電壓由無超級電容儲能系統時的1150V升高至加入超級電容儲能系統后的1300V，電壓上升140V，這將很大程度的改善電機的啟動性能。另外，超級電容能量的使用，實現了能量的重復利用。

4.結語

本文針對城市軌道交通中再生制動能量吸收系統展開了研究。文中主要探討了超級電容儲能系統的控制策略，針對系統的儲能模式進行了建模與仿真，定性分析了仿真結果，提出了安全可靠的控制策略，對城軌列車超級電容儲能系統的實際應用具有一定的指導和借鑒意義。

參考文獻

[1]張文麗，李群湛等.地鐵列車再生制動節能仿真研究[J].變流技術與電力牽引，2008（3）：41-44.

[2]SoneS，Ashiya M.An Innovative Traction System from the View point of Braking[C].MInternational Conference on Development of Mass Transit Systems，IEE 1998，453：36-41.

[3]劉偉.基于超級電容的地鐵再生制動能量存儲利用研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2011.

[4]蔡宣三，龔紹文.高頻功率電子學直流-直流變換[M].北京：科學出版社，1993.

[5]Nomura M，Tadano Y，Yamada T，etal.Performance of Inverter with Electrical Double Layer Capa-citor for Vector Controlled Induction Motor Drives[C].M Industry Applications Conf-erence，2005，2：1073-1080.