城軌車輛再生制動超級電容儲能與并網回饋技術研究

李華柏 李建忠 胡揚

摘 要：城軌車輛由于站間運行距離短，需要采取頻繁的電氣制動，產生大量制動能量。為了有效吸收城軌車輛電氣制動產生的能量，本文在綜合比較幾種制動能量回收方案的基礎上，采用超級電容器組吸收與并網逆變器將制動能量回饋電網的方案，以實現能量的再利用，同時保持牽引網電壓的穩定。

關鍵詞：城軌車輛;再生制動;超級電容器;并網逆變器

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）28-0124-03

Abstract： Due to the short running distance between station and station， urban rail vehicles need take frequent electric braking， and produce a large amount of braking energy. In order to effectively absorb the energy generated by electric braking of urban rail vehicles， based on the comprehensive comparison of several braking energy recovery schemes， this paper used supercapacitor banks to absorb and grid-connected inverters to feed the braking energy back to the power grid， in order to achieve energy reuse， while maintaining the stability of the traction network voltage.

Keywords： urban rail vehicles;regenerative braking;super capacitor;grid-connected inverter

1 制動能量并網回饋型吸收方案結構

城市軌道交通車輛由于站間運行距離較短，啟動與停止頻繁，因此采用電氣制動為主、機械制動為輔的聯合制動方式。

根據[E=12mv2]可知，城軌列車制動時，會在短時期內將機械能轉化為電能，從而產生巨大的制動能量。

電氣制動產生的能量吸收方案主要有儲能型、逆變回饋型、電阻能耗型等。對比分析幾種能量吸收方案的優缺點，結合城軌列車制動頻繁且制動能量大的特點，本文提出一種制動能量混合利用方案，采用超級電容器組儲能系統與并網逆變器回饋制動能量給電網相結合的方案，確保高效吸收制動能量，同時保持直流牽引網電壓穩定。系統結構圖如圖1所示。圖1中，C1為濾波電容，C2為超級電容器組，L1、L2和L3為濾波器，T1與T2為開關器件IGBT[1，2]。

R1為電容的預充電電阻，防止電路接通瞬間電容C1的充電電流過大而損壞電容，電容充電至接近額定電壓后，交流接觸器KM主觸點閉合，短接R1。C1一般采用多組電容串聯而成，R2為各串聯電容組兩端并聯的均壓電阻，實現串聯電容組的電壓均衡。

2 牽引電機制動模式的實現

牽引電機的轉速為：

轉差率是感應電機中一個很重要的參數，決定了感應電機工作在電動工況還是發電工況，通過改變其轉差率的極性可以實現牽引工況/制動工況的轉換。

①當[s]>0時，感應電機工作于電動機模式，轉子轉速會低于磁場轉速，牽引逆變器工作于牽引工況。

②當[s]<0時，感應電機工作于發電機模式，轉子轉速會高于磁場轉速，牽引逆變器工作于再生制動工況。

在城軌列車制動時，需要控制逆變器工作于再生制動工況，實時調節牽引逆變器輸出的頻率，使牽引電機的同步轉速小于實時轉速，牽引電機工作于發電制動模式。

3 超級電容器吸收再生制動能量儲能系統

超級電容的優點是容量大，可以反復快速大功率充放電，充放電效率高，循環壽命長，所以能適應地鐵機車頻繁制動的特點。超級電容高效、快速充電的特點使得其制動能量回收率高達到80%以上[3]。

當列車制動時，牽引電機處于發電狀態，機械能轉化為電能通過牽引逆變器回饋至直流牽引網。此時，控制雙向變換器工作于BUCK狀態，如圖2所示。通過T1對超級電容器組充電，儲存制動能量，將牽引網電壓穩定在允許范圍內。通過調節T1的PWM信號的占空比，就可以對超級電容器組的充電電流進行控制，防止超級電容端電壓上升過快導致擊穿。

當列車啟動時，由于牽引電機的啟動電流遠大于正常的運行電流，將導致直流供電網電壓降低。此時，控制T2導通，雙向變換器工作于BOOST狀態，如圖3所示，超級電容器組儲存的能量通過雙向變換器釋放，調節T2的占空比，可以調節放電功率，以穩定直流牽引母線的電壓。

4 并網逆變回饋原理分析

城軌車輛制動時能量集中、制動能量很大。而超級電容器組由于容量的限制，難以完全吸收再生制動產生的能量，此時并網逆變器投入工作，將多余的制動能量通過逆變器轉變化交流電，并入電網，避免對直流牽引電網的沖擊。

列車制動時，當超級電容器組快速吸收制動能量，其端電壓達到某一預設電壓時，表明超級電容器組儲能已滿，無法繼續吸收能量。為避免直流電網電壓上升過高，控制并網逆變器投入工作，使直流牽引網中的再生制動能量快速回饋給交流電網，實現能量的循環利用，從而達到節能的目的。同時，保證直流牽引網壓穩定在設定值范圍內，確保列車直流供電系統的安全穩定，防止列車再生制動失效[1，4]。并網逆變原理如圖4所示。

并網逆變器通過T1～T6把直流電轉變成三相交流電，將制動能量理回饋電網。控制T1、 T2、T3、T4、T5、T6的邏輯導通順序，經過正弦交流調制，使其以某個頻率導通，就會輸出一個對稱的三相交流電源。逆變器件的導通邏輯與順序如圖5所示。通過控制并網逆變器中的開關器件IGBT的占空比，可以調節交流電壓的幅值、頻率和相位與電網一致，實現單位功率因數并網并網逆變器串聯濾波電抗器接入電網的作用是阻尼過電流和濾除紋波[5]。

為了對牽引逆變器的逆變器件IGBT進行保護，給每個逆變器件分別并聯了一個續流二極管，當電動機進入制動運行狀態后，產生的制動能量可以經過續流二極管將電能返回直流環節。每個逆變器件兩端還需要并聯R-C-VD緩沖保護回路，可以對器件開通與關斷過種中產生的過電壓進行緩沖與吸收。

5 結論

電容儲能系統能夠高效快速吸收與儲存制動電能，穩定牽引網電壓。采用超級電容儲能系統與并網逆變器結合吸收制動能量，超級電容器組的容量不需要按照最大制動電能來配置，降低成本。并網逆變器可以將超級電容器組未能吸收的制動電能回饋電網，實現能量的循環利用。

參考文獻：

[1]張秋瑞.城市軌道交通再生制動能量利用技術研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[2]邊宏超.地鐵牽引系統混合型再生制動能量吸收及利用方案的研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[3]肖大帥.基于超級電容的城軌車輛再生能量存儲利用系統研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[4]薛揚禹.地鐵再生制動能量利用方案研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[5]曹成琦.城軌車載超級電容儲能系統研究[D].株洲：湖南工業大學，2016.