超級電容儲能系統在軌道車輛的應用

朱 波，樸學松，楊建宇

(長春市軌道交通集團有限公司，吉林長春130012)

隨著綠色交通的發展，軌道車輛在公共運輸中占據了重要的地位。但在某些特定路段，采用架設接觸網或修建第3軌的供電方式會出現影響城市的美觀或施工困難等問題。超級電容做為大容量儲能元件可以為有軌電車在無電網條件下提供電能。它的出現為城市軌道交通的發展提供一個新的方向。

1 超級電容供電系統

超級電容供電系統如圖1所示，由電網系統、儲能系統、牽引系統組成［1］。儲能系統由雙向的DC/DC變流器和超級電容組成。為了使超級電容的電壓及容量能夠滿足軌道車輛系統的需要，采取串并聯的方式，將超級電容模塊組成儲能系統。當列車制動時，雙向的DC/DC變流器將工作在降壓模式，為超級電容器充電，儲能系統將列車制動時所產生的再生電能吸收。在車輛起動或無電網時，雙向DC/DC變流器工作在升壓模式，超級電容器放電，為牽引系統提供電能，供列車牽引或平穩通過無電區。

圖1 電網和超級電容混合供電系統

1.1 超級電容的等效模型

RC電路模型是最簡單的一種超級電容應用模型［2］。它包括理想電容器C、等效串聯電阻ESR和等效并聯電阻EPR。ESR在充放電過程中所產生的能量損耗，一般以熱的形式表現出來。被稱為漏電電阻的等效并聯電阻EPR，可以反映超級電容器總的漏電情況。超級電容的自放電回路的時間常數為數十個乃至上百個小時，遠遠大于它的充放電時間常數。在實際應用中，圖2所示的簡化等效模型為經典模型。

當超級電容以恒定電流I充放電時，則有式(1)所示的關系。根據式(2)可以得出超級電容充電時間與容值及電壓之間的關系。

式中Q為充電電量;C為超級電容的容量;△U額定時間內的電壓降;t為充放電時;U為電壓。

圖2 超級電容器模型

圖3 雙向buck-boost變換器

1.2 雙向DC/DC電路

本設計所采用的雙向DC/DC電路是如圖3所示的雙向buck-boost電路，該電路為超級電容器的充放電主電路，該電路結構簡單、效率高［3］。

該電路運行時，可以在不改變變流器兩端電壓方向的情況下，改變電流方向，這在功能上相當于buck變流器和boost變流器的組合。當充電時，變流器等效為buck變流器，S2截止，D2為續流二極管，開關管S1以一定的占空比進行通斷;當放電時，變流器等效為boost變流器，S1截止，D1為續流二極管，開關管S2以一定的占空比進行通斷。通過對DC/DC變流器工作狀態的變換，可以控制超級電容的充放電，有外電網時可以給超級電容充電，無外電網時超級電容可以為負載供電。

2 控制策略

采用超級電容儲能系統的主要目的是在列車大功率牽引或無電網條件下為牽引系統提供電能，并且在列車制動時，為超級電容充電。因此，雙向DC/DC變流器采用電壓外環控制和電流內環控制的策略。當充電時，它將工作在buck模式下。當超級電容電壓較低時，為恒流充電模式。當超級電容兩端電壓達到一定值時，它的充電電流將逐漸減小，此時將由恒流充電模式轉為恒壓充電模式，直到充滿為止。當列車大功率牽引或進入無電區時，則處于放電狀態，DC/DC變流器工作在boost工作模式，輸出滿足牽引系統要求的電壓。由文獻［6］知，雙向DC/DC變流器buck工作模式與boost工作模式具有相同的控制模型，電路的穩態方程為:

穩態解為:

轉換到S域的模型為:

本設計提出的雙向DC/DC變換器雙閉環控制框圖如圖4 所示［4］。

圖4 雙向buck-boost控制框圖

采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制，采用PI控制器校正，可使系統穩定性增強，穩定范圍寬，更為重要的是系統具有較快的限制電流能力，有效的降低了開關器件、電感等關鍵元器件的電流沖擊。

利用TMS320F28335的EPWM模塊可以方便的產生用于控制開關管的PWM波形［5］。設置開關管的開關頻率為4 kHz。EPWM1中斷通過不斷更新比較寄存器A和B的值，從而改變輸出占空比。定時器0周期中斷更新故障信息，如果檢測到故障信息則會封鎖脈沖。圖5為充電PWM波中斷流程圖。充電時由EPWM1A輸出PWM波，放電時EPWM1B輸出PWM波。

3 超級電容在輕軌牽引系統中的應用

本設計已成功應用于沈陽渾南70%低地板輕軌列車中，由于在輕軌線路中有無電區，所以在無電區中采用超級電容組為牽引系統供電，保證列車正常運行。在實際中超級電容組單周期充放電示意圖如圖6所示:

圖5 充電中斷流程圖

圖6 超級電容組單周期充放電示意圖

每個“充電—放電”周期包括A、B、C、D4個區段:

A:充電，起始電壓250 V，充電至電壓550 V。

B:放電，初始電壓550 V，輸出功率120 kW。

C:放電，輸出功率16 kW，停止電壓250±5 V。

D:非充電、非放電狀態，電壓250±5 V，無電流。列車處于惰行狀態。

超級電容所能釋放的能量與最大電壓和最小電壓這兩個參數有關。若超級電容的容量為CF，額定電壓為Umax，最小電壓為Umin，則從理論上講，它可釋放的儲能量Ws可以表示為:

本設計采用的電容為美國Maxwell公司的BMOD0165 P048 B01型超級電容，其具體參數如表1所示。

表1 Maxwell BMOD0165 P048 B01型超級電容具體參數

本設計中牽引逆變器在一個無電區內對能量的要求為列車以120 kW運行12 s，以16 kW運行80 s。

根據能量公式

列車一個無電區內所需要的能量為:

本設計采用12個超級電容串聯為一組，2組并聯，共使用24個超級電容。所示超級電容器組的容值為:

額定電壓為:48 V×12=576 V

在設計中給定最大充電電壓Umax=550 V，最小放電電壓Umin=250 V，根據能量公式，超級電容所提供的能量為:

假設DC/DC變流器的效率為90%，超級電容所釋放的能量可以滿足牽引逆變器的需要。

3.1 超級電容的充電

充電時，主電路拓撲等效為buck電路，如圖7所示。

圖7 充電模式等效電路

本文設計的輕軌牽引系統額定電網電壓為直流750 V。試驗時，DC/DC變流器從接觸網獲取750 V的直流電為超級電容充電，波形見圖8。

圖8中上面的波形是電網電壓;中間的波形是超級電容電壓;下面波形是超級電容電流。電網電壓為750 V，超級電容電壓為250～550 V，超級電容平均電流值為250 A。

從波形可以看出:超級電容先以恒流方式進行充電，在即將充滿時，電壓接近預充電最高的電壓閾值，充電電流逐漸減小，以恒壓方式進行充電，最終，電壓逐漸升至550 V，充電完成。

3.2 超級電容為牽引系統供電

放電時，主電路等效為boost電路拓撲結構如圖9所示，超級電容經過DC/DC變流器輸出直流750 V，為牽引系統供電，波形見圖10。

圖8 超級電容充電波形

圖9 放電模式等效電路

圖10 超級電容放電波形

圖10中，上面的波形是DC/DC變流器輸出電壓，中間的波形是超級電容組的電壓，下面的波形是DC/DC變流器輸出電流。DC/DC變流器輸出電壓為750 V，輸出電流最大值為160 A，超級電容電壓變化范圍為550～250 V。

從變流器輸出電壓波形可以得出:超級電容放電時，DC/DC變流器輸出電壓恒定為750 V，為牽引系統提供穩定、可靠的直流電。從變流器輸出電流波形可以得出:該儲能系統可以滿足牽引系統不同功率等級的要求，即滿足列車以不同的速度運行。

4 結束語

本文在介紹超級電容等效模型的基礎上，深入研究了基于雙向buck－boost電路的超級電容儲能系統。在有外電網時DC/DC變流器可以從外電網吸取能量，并且可以有效的吸收牽引系統制動時產生的能量。當列車進行大功率牽引或在無電網情況下運行時，超級電容儲能系統就會為列車的牽引系統提供能量。本超級電容儲能系統已成功應用于沈陽渾南70%輕軌列車的牽引系統中。

［1］ 楊 惠，孫向東，鐘彥儒，陶柳英，張鵬程.基于雙向DCDC變換器的超級電容器儲能系統研究［J］.西安理工大學學報，2011，27(4):456-460.

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［5］ 劉陵順，高艷麗，張樹團，王 昉.TMS320F28335DSP原理及開發編程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［6］ 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.

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［8］ 唐西勝.超級電容器儲能應用于分布式發電系統的能量管理及穩定性研［D］.北京:中國科學院電工研究所，2006.