基于Simulink的高速鐵路長(zhǎng)大坡道儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 創(chuàng)，馮 鑒，李天成，孔維東

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610036）

0 引言

隨著西部大開(kāi)發(fā)的快速推進(jìn)，中國(guó)高速鐵路建設(shè)網(wǎng)不斷在地勢(shì)起伏較大、地形復(fù)雜多變的西部鋪開(kāi)，不可避免地出現(xiàn)越來(lái)越多的長(zhǎng)大坡道運(yùn)行線路。以西成客專為例，其是中國(guó)運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)大坡道和大坡道較長(zhǎng)、長(zhǎng)大坡道占比較高、動(dòng)車組列車失速較大、運(yùn)行條件較困難的高鐵線路。面對(duì)此種困難的列車運(yùn)行條件，鐵路總公司組織相關(guān)單位對(duì)多種車型動(dòng)車組在西成客專新街場(chǎng)至鄠邑站間，長(zhǎng)度45 km、坡度25‰的連續(xù)坡道上進(jìn)行了全列切除電制動(dòng)的坡道恒速運(yùn)行制動(dòng)熱負(fù)荷試驗(yàn)。其中CRH380B型和CR400BF型動(dòng)車組全列切除電制動(dòng)恒速運(yùn)行試驗(yàn)中出現(xiàn)車軸盤(pán)對(duì)應(yīng)閘片溫度超標(biāo)的情況，因此動(dòng)車組列車在長(zhǎng)大坡道行駛時(shí)必須保證再生制動(dòng)系統(tǒng)能正常運(yùn)行。但在如此的長(zhǎng)大下坡情況頻繁使用再生制動(dòng)[1]，將造成接觸網(wǎng)電壓明顯上升，導(dǎo)致供電臂末端網(wǎng)壓過(guò)高，當(dāng)電壓超出正常范圍，將會(huì)引起列車再生制動(dòng)失效，嚴(yán)重影響列車的運(yùn)行安全[2]。同時(shí)，運(yùn)行的動(dòng)車組含有一定的高次諧波，容易造成牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振，引起供電質(zhì)量下降[3]，并對(duì)供電設(shè)備安全造成影響。

為了應(yīng)對(duì)西成客專新街場(chǎng)至鄠邑長(zhǎng)大坡道的運(yùn)行條件，避免列車再生制動(dòng)失效，保證列車運(yùn)行的安全，提高供電質(zhì)量，有必要對(duì)列車在此線路行駛時(shí)再生制動(dòng)能量利用進(jìn)行研究。目前通用的再生制動(dòng)能量利用方式主要有兩種，一種是通過(guò)合理安排行車組織[4]，調(diào)整同一供電臂內(nèi)所回收的再生制動(dòng)能量；另一種是通過(guò)加裝能量回饋裝置，將回饋的再生制動(dòng)能量用于牽引配電系統(tǒng)內(nèi)部用電設(shè)備消耗[5-6]。前者靈活性較差，且不適用于本文研究的長(zhǎng)大坡道線路，后者所回饋的電能質(zhì)量不佳，容易對(duì)用電設(shè)備造成損壞。因此，本文提出了設(shè)計(jì)一套長(zhǎng)大坡道地面再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)列車行駛在長(zhǎng)大坡道下坡頻繁進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)直接對(duì)過(guò)剩的再生制動(dòng)能量進(jìn)行吸收存儲(chǔ)；列車行駛在長(zhǎng)大坡道上坡增大牽引功率時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量，從而提高再生能量利用率和供電質(zhì)量。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)

適用于長(zhǎng)大坡道的動(dòng)車組地面再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。長(zhǎng)大坡道地面超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由變流器和超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置兩部分組成。圖中，P1為長(zhǎng)大坡道地面超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器，變流器交流側(cè)連接于供電臂末端和軌道，直流側(cè)與儲(chǔ)能裝置DC/DC變換器[4]一端相連。變流器的作用是將供電網(wǎng)電壓以25∶1的電壓比進(jìn)行降壓，供電網(wǎng)25 kV/50 Hz 的交流電壓被降壓至1 000 V/50 Hz，隨后通過(guò)四象限整流器將交流電整流為穩(wěn)定的2 000 V直流電壓。P2是動(dòng)車組和接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)，列車通過(guò)受電弓將接觸網(wǎng)把25 kV/50 Hz的交流電引入到主變壓器，主變壓器連接列車牽引供電系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)拖動(dòng)動(dòng)車組運(yùn)行。當(dāng)列車行駛在牽引階段時(shí)，接觸網(wǎng)將電力提供給列車；當(dāng)列車行駛在制動(dòng)階段時(shí)，將制動(dòng)能量回饋至接觸電網(wǎng)。P3是超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，由于西成客專鄠邑-新場(chǎng)街行程約45 km坡度達(dá)到25‰的長(zhǎng)大坡道。當(dāng)列車在長(zhǎng)大坡道下坡行駛時(shí)，為了保持勻速行駛，需要采取制動(dòng)措施，將產(chǎn)生大量的再生制動(dòng)能量，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓偏高而超出正常范圍，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置吸收再生制動(dòng)能量，降低接觸網(wǎng)末端電壓，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓恢復(fù)至正常范圍內(nèi)；當(dāng)列車在長(zhǎng)大坡道上坡行駛時(shí)，為了保持勻速行駛，需要增大牽引制動(dòng)功率，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓偏低而低于正常范圍，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置釋放電能，提高接觸網(wǎng)末端電壓，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓恢復(fù)至正常范圍內(nèi)。

圖1 長(zhǎng)大坡道地面超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 工況分析

當(dāng)列車在長(zhǎng)大坡道下坡行駛時(shí)，為了保持勻速行駛，需要采取制動(dòng)措施，將產(chǎn)生大量的再生制動(dòng)能量，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓偏高而超出正常范圍，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器裝置啟動(dòng)，接觸網(wǎng)為超級(jí)電容進(jìn)行充電，當(dāng)超級(jí)電容的儲(chǔ)能功率容量飽和后，關(guān)閉變流器裝置，停止對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電；當(dāng)列車在長(zhǎng)大坡道上坡行駛時(shí)，為了保持勻速行駛，需要增大牽引制動(dòng)功率，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓偏低而低于正常范圍，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器裝置啟動(dòng)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放電能；當(dāng)此段線路沒(méi)有列車行駛時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。根據(jù)上文描述可以得出，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制器工作在充電、放電和待機(jī)3種不同的工況。充電和放電工況的能量流動(dòng)方向如圖2所示。

圖2 充電和放電工況的能量流動(dòng)方向

1.3 雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)

雙向DC/DC 變換器的種類繁多，主要分為隔離式和非隔離式兩種。隔離式雙向DC/DC 變換器的電路拓?fù)浞N類同樣繁多、各具特色，但總體都是全橋電路、半橋電路和推免電路的各種組合以及其變形電路的組合[5]。非隔離式電路簡(jiǎn)單、器件少、變換效率高、方便控制，廣泛應(yīng)用于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電等需要進(jìn)行直流變換處理的應(yīng)用場(chǎng)合。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)通常也選擇非隔離DC/DC 變換器。常用的非隔離式雙向DC/DC 變換器拓?fù)渲饕?4 種[6]：Buck/Boost 雙 向 DC/DC 變換器 、Buck-Boost 雙向DC/DC 變換器、Cuk 雙向 DC/DC 變換器和 Sepic-Zeta 雙向 DC/DC 變換器。Buck/Boost 雙向DC/DC 變換器相比于增加了電感的Cuk和Sepic-Zeta變換器，其轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件少且重量輕；Buck-Boost 變換器適用于大功率場(chǎng)合。因此綜合考慮，本文選擇Buck/Boost 雙向DC/DC 變換器作為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的主電路拓?fù)洌潆娐啡鐖D3所示。

圖3 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路拓?fù)?/p>

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方法與仿真分析

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方法

對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電時(shí)，充電電流或電壓過(guò)大都會(huì)對(duì)儲(chǔ)能裝置造成破壞，同時(shí)還要維持接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的穩(wěn)定，因此在控制系統(tǒng)中引入電流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器。儲(chǔ)能裝置的控制策略如圖4所示。具體控制思路如下：通過(guò)接觸網(wǎng)末端網(wǎng)壓Umd和饋線電流Ik判斷儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀況，超級(jí)電容進(jìn)行恒功率充電，充電功率P 與通過(guò)采樣獲得直流側(cè)的實(shí)際電壓Ud作商，送入PI 調(diào)節(jié)器輸出值作為超級(jí)電容電流的電流期望值Il*，該值再與實(shí)際電流值Il作差送入PI 調(diào)節(jié)器并進(jìn)行限幅后，進(jìn)行PWM調(diào)制，獲得控制開(kāi)關(guān)的脈沖信號(hào)。其中，超級(jí)電容電流的期望值為最大充電與放電功率對(duì)應(yīng)的電流值。儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制框圖如圖5所示。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

2.2 仿真分析

接觸網(wǎng)采用帶回流線的直接供電方式，由于鄠邑-新場(chǎng)街間下行線K72+142至K72+335、上行線K72+330至K72+136處設(shè)置有接觸網(wǎng)分相，因此供電臂長(zhǎng)度以22 km為例進(jìn)行仿真分析。而動(dòng)車組運(yùn)行的符合則以電流源進(jìn)行模擬。具體的仿真參數(shù)如表1所示。

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖

表1 仿真參數(shù)

以下仿真的主要目的是驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠達(dá)到充放電目標(biāo)，因此在設(shè)置充放電時(shí)間時(shí)，以短時(shí)間為例子[7]。

（1）充電工況仿真分析

當(dāng)動(dòng)車組列車行駛在長(zhǎng)大坡道下坡時(shí)，為了保持恒速行駛，列車進(jìn)行再生制動(dòng)，接觸網(wǎng)末端電壓升高，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電工況[8]。列車以240 km/h 恒速運(yùn)行，在1 s 投入超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，直接以最大功率5 800 kW 進(jìn)行充電。充電工況下，接觸網(wǎng)末端電壓和儲(chǔ)能裝置電流波形如圖6所示。由圖可以看出，在儲(chǔ)能系統(tǒng)投入使用前，接觸網(wǎng)末端的電壓為28.9 kV 左右；投入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，接觸網(wǎng)末端電壓快速下降，降低至27.8 kV左右，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓降低至正常范圍之內(nèi)，從而避免了列車再生制動(dòng)失效，保證列車運(yùn)行的安全[9]。

圖6 充電工況接觸網(wǎng)末端電壓和儲(chǔ)能裝置電流波形

（2）放電工況仿真分析

當(dāng)動(dòng)車組列車行駛在長(zhǎng)大坡道上坡時(shí)，為了保持恒速行駛，列車增大牽引功率，接觸網(wǎng)末端電壓降低，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電工況[10]。列車以240 km/h 恒速運(yùn)行，在1 s 投入超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，直接以最大功率5 800 kW 進(jìn)行恒功率放電。放電工況下，接觸網(wǎng)末端電壓和儲(chǔ)能裝置電流波形如圖7所示。由圖可以看出，在儲(chǔ)能系統(tǒng)投入使用前，接觸網(wǎng)末端電壓為23.2 kV左右；投入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，接觸網(wǎng)末端電壓快速上升，提高至24.1 kV左右，達(dá)到了支撐網(wǎng)壓上升的效果，且充分利用了列車再生制動(dòng)能量[11]。

圖7 放電工況接觸網(wǎng)末端電壓和儲(chǔ)能裝置電流波形

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析動(dòng)車組列車行駛在長(zhǎng)大坡道上存在再生制動(dòng)失效和供電質(zhì)量下降的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套長(zhǎng)大坡道地面再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)。利用Matlab/Simulink 搭建長(zhǎng)大坡道地面再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)平臺(tái)，驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和控制方法的正確性，得出以下結(jié)論：

（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效抑制因持續(xù)進(jìn)行再生制動(dòng)造成的接觸網(wǎng)網(wǎng)壓抬升，從而避免列車再生制動(dòng)失效，保證列車運(yùn)行安全；

（2）當(dāng)接觸網(wǎng)牽引符合增大造成網(wǎng)壓降低，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效支撐接觸網(wǎng)網(wǎng)壓上升，提高再生能量的利用率，且一定程度上提升了供電網(wǎng)供電質(zhì)量。