基于超級電容有軌電車的充電裝置控制策略

韓維

摘 要：為有效降低當(dāng)前有軌電車在運(yùn)行期間短時大功率充電方式對配電網(wǎng)容量帶來的沖擊，可將超級電容采取串并聯(lián)組合而成的方式加入充電裝置中，就此本文首先概述什么是超級電容有軌電車，然后提出基于超級電容有軌電車的充電裝置控制策略，最后得出仿真驗證結(jié)果驗證其在實際應(yīng)用中的可行性。

關(guān)鍵詞：超級電容;有軌電車

1 概述

1.1 超級電容

超級電容，原本是化學(xué)中使用的電容器，能夠通過極化電解質(zhì)的方式來實現(xiàn)儲能的電化學(xué)元件，因化學(xué)本質(zhì)是可逆的，所以可重復(fù)進(jìn)行使用，使用壽命比較長。超級電容充電次數(shù)高達(dá)數(shù)十萬次以上，其應(yīng)用原理是活性炭多孔電極以及電解質(zhì)組合結(jié)構(gòu)來獲得能量，在實際使用中，只需要10s-10min就可充電至容量95%以上，且在能量轉(zhuǎn)變方面效率非常高，對溫度適應(yīng)能力也很強(qiáng)。在充放電方面，操作比較簡單，安全性強(qiáng)，能夠及時對剩余電量進(jìn)行及時觀測。除以上之外，在進(jìn)行超級電容拆解時，不存在污染環(huán)境的問題，符合當(dāng)前社會發(fā)展背景下提出的節(jié)能減排的理念。

1.2 超級電容有軌電車

超級電容有軌電車，指通過不銹鋼材質(zhì)，全部采取低地板的形式進(jìn)行設(shè)計，通常情況下，地板面高度是350mm，靠車門部分的地板面要低于其他地方第版面30mm，為320mm，采用這種規(guī)格進(jìn)行有軌電車設(shè)計，能夠方便老人、幼兒以及孕婦等特殊人士只要輕輕抬腳就可以進(jìn)入車內(nèi)，同時超級電容有軌電車最大載客量可達(dá)380人，時速高達(dá)70公里每小時。

從超級電容的應(yīng)用本質(zhì)來講，其主要動力是源于9500法拉超級電容儲容實現(xiàn)電車充電，只需要30s，有軌電車即可在車站完成充電操作，完成一次充電即可運(yùn)行3公里至5公里左右，在制動時，能夠回收高達(dá)85%以上的制動能量，同時將其反饋至超級電容中，使其以電能的方式進(jìn)行儲存。

2 基于超級電容有軌電車的充電裝置控制策略

2.1 三相電壓型PWM

三相電壓型PWM是當(dāng)前使用比較普遍的有軌電車儲能式充電裝置控制策略，其應(yīng)用原理是基于降低有軌電車儲能系統(tǒng)在進(jìn)行充電時所產(chǎn)生的諧波電流、無功功率以及電路損耗等問題為電網(wǎng)在使用中帶來的電壓波動以及電網(wǎng)污染情況，主要采用以下兩種控制策略：

其一，電流內(nèi)環(huán)，這種控制策略就是基于反饋網(wǎng)測連續(xù)方式進(jìn)行的，在電流內(nèi)環(huán)控制模型中：其中Ls為濾波器網(wǎng)側(cè)電感值;ig為濾波器網(wǎng)側(cè)電感電流;ig * 為感電流參考值;Lg為濾波器整流器側(cè)電感值;ig為濾波器整流器側(cè)電感電流;C為濾波器電容值;ic為濾波器電容電流;u、i、es分別指的是整流器中的輸出電壓、輸出電流以及電網(wǎng)電壓。

對于電流內(nèi)環(huán)主要采用的控制器為PI控制器，以下公式1為傳遞函數(shù);公式2為變流器增益：

公式1：

公式2：

公式2中的TS指的是反饋電流采用周期，對于網(wǎng)測電感電流與輸出電壓兩者之間的傳遞函數(shù)則為公式3，也就是ig與u之間的傳遞函數(shù)：

公式3：

基于以上，若將系統(tǒng)延遲這一情況考慮其中，這就需要將延遲與采樣/保持兩個環(huán)節(jié)加進(jìn)去，也就是公式4電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)：

公式4：

若系統(tǒng)開環(huán)頻率處于比較高的狀態(tài)下，可將上述公式4整理為下述公式5：

公式5：

其二，電壓外環(huán)，在電壓外環(huán)的控制模型中：其中C1指的是整流器側(cè)輸出穩(wěn)壓電容，所采用的調(diào)節(jié)器與上述電壓內(nèi)環(huán)相同，也是PI調(diào)節(jié)器，公式6為整流器電壓外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)：

公式6：

1.2 DC/DC電路

如果不將電感電容的寄生電路考慮其中，將開關(guān)管以及二極管兩者設(shè)為系統(tǒng)中使用比較理想的期間，該電路的主要功能就在于將原本的站內(nèi)儲能系統(tǒng)中直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前使用的恒定電流或者是恒定電壓，然后結(jié)合超級電容本身具有的充電特性來講，在進(jìn)行有軌電車充電時，首先采用恒定電流的方式進(jìn)行充電，充至90%左右后采用恒定電壓的方式再繼續(xù)進(jìn)行充電[1]。

針對于電流環(huán)控制，其中Gid（ s） 指的是輸出電流與占空比兩者之間的傳遞函數(shù)，也就是公式7：其中udc、 L1、C2、R 分別為斬波器輸入側(cè)的電壓、為輸出側(cè)電感、為輸出側(cè)電容以及斬波器負(fù)載。針對于電壓環(huán)控制，其中Gud（ s） 指的是斬波器輸出電壓與占空比兩者之間的傳遞函數(shù)，也就是公式8：

公式7：

公式8：

3 仿真驗證

3.1 充電裝置設(shè)計參數(shù)

通過對基于超級電容的有軌電車充電裝置進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，本次仿真主要針對充電和放電兩者進(jìn)行驗證。在進(jìn)行仿真驗證過程中，可將充電裝置中超級電容容值和額定電壓分別設(shè)置為139F和600V，對于充電裝置的輸入電壓、輸出電壓以及輸出電流分別設(shè)置為AC380V、DC900V以及DC600A，該充電裝置的充電效率高達(dá)95%以上，波紋因數(shù)低于1%。

3.2 仿真分析

根據(jù)上述充電裝置設(shè)計參數(shù)，可獲取到基于超級電容的充電裝置的電流與電壓兩者仿真波形。通過對仿真波形進(jìn)行分析，若充電裝置處于恒流充電狀態(tài)下，則電流可保持在100A處于不變狀態(tài)，之后電容電壓線性逐漸上升，在3s時間內(nèi)增加了3V，結(jié)合理論計算結(jié)果，兩者相一致;若電容電壓上升至特定值590V時，這時候電容電壓就會維持在590V處于恒定狀態(tài)，與此同時充電電流不斷降低。

根據(jù)上述充電裝置的電流與電壓仿真波形來驗證并分析有軌電車充電電流與電壓的仿真波形：與站內(nèi)儲能系統(tǒng)的充電特性兩者相同，若充電裝置處于恒流充電狀態(tài)下，則電流可保持在600A處于不變狀態(tài)，之后輸出電壓線性呈逐漸上升狀態(tài)，上升了30V，若電容電壓上升至特定值900V時，這時候電容電壓就會維持在900V處于恒定狀態(tài)，與此同時充電電流不斷降低，最終截至200A即可封脈沖，結(jié)合理論分析，最終驗證的仿真結(jié)果與其一致[2]。

3.3 仿真結(jié)果

根據(jù)當(dāng)前有軌電車在充電時存在的短時大功率對城市配電網(wǎng)帶來的大容量沖擊影響而言，本文基于超級電容，對有軌電車充電裝置控制策略進(jìn)行相應(yīng)的研究，從中分析可通過延長充電裝置的方式來增加配電網(wǎng)充電時間，并有效降低充電功率。將LCL濾波器接至整流器網(wǎng)測，然后通過電壓電流雙閉環(huán)PI控制策略，基于超級電容本身具有充電特性來進(jìn)行充電電流以及電壓的設(shè)置，對于充電裝置中的斬波器，可通過電流環(huán)與電壓環(huán)進(jìn)行單環(huán)控制。根據(jù)上述仿真驗證，最終結(jié)果表明，基于超級電容的有軌電車充電裝置，一方面能夠有效降低對供電網(wǎng)絡(luò)裝置提出的要求，不需要進(jìn)行供電網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)，可直接與城市低壓配電網(wǎng)連接;另一方面，對推動充電裝置的成套生產(chǎn)也有非常大的推廣意義[3]。因當(dāng)前有軌電車停站時間比較短，對充電功率方面的要求比較大，因此也就對城市配電網(wǎng)容量提出更高要求，就此本文首先概述什么是超級電容有軌電車，然后從三相電壓型PWM、DC/DC電路兩方面提出基于超級電容有軌電車的充電裝置控制策略，最后對其進(jìn)行仿真驗證，旨在為有軌電車在當(dāng)前城市交通中的應(yīng)用減少各方面的投入，推動城市交通事業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃齊來， 張維， 郭志奇. 車載超級電容儲能式有軌電車的充電軌設(shè)計及應(yīng)用[J]. 都市快軌交通， 2019， 32（02）：140-145.

[2]常鵬飛， 田煒， 林嬋娟. 現(xiàn)代有軌電車儲能式充電裝置的研究[J]. 電氣自動化， 2019， 41（01）：106-108.

[3]尹強(qiáng)， 龐浩， 甘江華，等. 超級電容器分段充電控制策略研究[J]. 大功率變流技術(shù)， 2019， 000（002）：40-43..