超級(jí)電容在地鐵制動(dòng)能量回收中的應(yīng)用研究

張秋瑞，葛寶明，畢大強(qiáng)

0 引言

隨著城市人口的膨脹，城市軌道交通顯得越來越重要。在城市軌道交通中，直-交變壓變頻的傳動(dòng)方式已經(jīng)普遍采用，再生制動(dòng)成為列車常用制動(dòng)時(shí)的主要制動(dòng)方式，制動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，使得一部分能量能夠回饋給電網(wǎng)，而列車在運(yùn)行過程中，由于站間距較短，列車啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，從能量互換的角度看，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀[1]。由于軌道交通存在線路阻抗，列車加速，啟動(dòng)電流較大，導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓下降；制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)能量會(huì)反饋牽引網(wǎng)，使電壓抬升，造成直流母線電壓波動(dòng)，為防止再生制動(dòng)失效，這些再生能量除了按一定比例被其他相鄰車吸收利用外，剩余部分主要被列車或者線路上的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗吸收掉，這必將帶來隧道和站臺(tái)內(nèi)的溫升問題，同時(shí)也會(huì)增大站內(nèi)環(huán)境控制裝置的負(fù)擔(dān)，造成大量的能源浪費(fèi)，并使地鐵的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加。為了解決上述問題，可以在地鐵直流供電系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能裝置，它在機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)吸收能量，避免能量浪費(fèi)；在機(jī)車啟動(dòng)或加速時(shí)提供部分功率支持，減少牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)。

目前，制動(dòng)能量吸收方案主要有電阻耗能型、蓄電池儲(chǔ)能型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型和超導(dǎo)儲(chǔ)能型等5種[1，2]。電阻耗能只能將電能轉(zhuǎn)化為熱能排掉，造成能源浪費(fèi)；蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池使用壽命不夠長(zhǎng)，大量使用電池對(duì)環(huán)境造成污染；飛輪儲(chǔ)能質(zhì)量很大，摩擦耗能問題嚴(yán)重，飛輪工作壽命短；超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的單位體積儲(chǔ)存的能量較低，在實(shí)用技術(shù)上有一定的困難。而超級(jí)電容被廣泛地應(yīng)用于儲(chǔ)能裝置中，它具有快速充放電、低污染、高效率和維護(hù)費(fèi)用低[3，7]等特點(diǎn)。

文獻(xiàn)[4]研究了超級(jí)電容器的原理與特性，主要對(duì)其建模以及充放電實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[5，6]研究了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，主要對(duì)雙向DC-DC變換器的工作原理進(jìn)行分析，本文根據(jù)超級(jí)電容的特點(diǎn)，研究利用超級(jí)電容器吸收多余的再生制動(dòng)能量，避免再生制動(dòng)能量對(duì)電網(wǎng)的沖擊。采用牽引直流側(cè)電壓作為能量控制策略依據(jù)，詳細(xì)介紹了參考電壓的給定方法，提出雙向DC-DC變換器的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方法，搭建了一個(gè)750 V直流電氣化鐵路等效模型仿真平臺(tái)，并通過仿真驗(yàn)證了控制方法的可行性和有效性。

1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 電路結(jié)構(gòu)

城市軌道車輛再生制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓升高，在啟動(dòng)或者加速時(shí)牽引網(wǎng)電壓降低，通過控制并接在直流側(cè)的雙向DC-DC變換器，對(duì)超級(jí)電容充電放電，可以實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”、平衡直流側(cè)電壓和能量回收再利用的作用。為了改善整流裝置的高次諧波對(duì)電網(wǎng)、通訊等設(shè)備的影響，目前城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的整流機(jī)組廣泛采用24脈動(dòng)整流電路給機(jī)車供電。

1.2 24脈動(dòng)整流電路

24脈動(dòng)整流機(jī)組是由2套12脈動(dòng)整流機(jī)組構(gòu)成，當(dāng)供給2個(gè)12脈動(dòng)整流器的整流變壓器高壓電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)的繞組分別采用±7.5°外延三角形連接時(shí)，2套整流器并聯(lián)運(yùn)行即可構(gòu)成等效24脈動(dòng)整流器，圖1是24脈動(dòng)整流電路直流側(cè)電壓輸出波形，可以看出一個(gè)周期有24個(gè)波頭，電壓脈動(dòng)較小，比較平穩(wěn)。

圖1 24脈動(dòng)整流電路直流側(cè)電壓輸出波形圖

圖2是24脈動(dòng)整流電路網(wǎng)側(cè)a相電流諧波分析，從圖2中可以看出，網(wǎng)側(cè)電流接近正弦波，諧波非常小，較明顯的為第23次和第25次諧波，與文獻(xiàn)[8]中分析24脈動(dòng)整流電路的電網(wǎng)側(cè)合成電流僅含有24n±1（n為正整數(shù)）次諧波相吻合，總畸變率僅為1.25%。

圖2 24脈動(dòng)整流電路網(wǎng)側(cè)電流波形頻譜圖

1.3 雙向DC-DC變換器

雙向DC-DC變換器在功能上相當(dāng)于Boost變換器和Buck變換器的組合，可以分為隔離式和非隔離式2種，其中，非隔離式器件少、效率高、控制簡(jiǎn)單，廣泛用于直流母線變化范圍大且需進(jìn)行直流變換處理的中小功率應(yīng)用場(chǎng)合。

在超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置中，通常選擇非隔離式變換器。圖3是雙向DC-DC變換器主要工作狀態(tài)：列車牽引或加速時(shí)，電機(jī)需要較大功率，變換器等效為升壓斬波器，電流流向直流側(cè)，給直流母線充電，如圖3 a所示；列車惰行時(shí)，變換器停止工作，處于備用保持狀態(tài)；列車制動(dòng)或減速時(shí)，牽引電機(jī)向直流電網(wǎng)反饋能量，使線網(wǎng)電壓抬高，超級(jí)電容器吸收回饋到直流母線上的能量，此時(shí)雙向DC-DC變換器動(dòng)作，等效為降壓斬波器，從直流母線吸收能量，如圖3 b所示。通過以上3種狀態(tài)切換，既可使直流電網(wǎng)電壓避免大范圍波動(dòng)，改善供電質(zhì)量，又將列車制動(dòng)能量循環(huán)利用，節(jié)約電能。

圖3 雙向DC-DC變換器示意圖

1.4 儲(chǔ)能裝置控制策略

圖4是儲(chǔ)能裝置的控制流程圖，控制的主要目的是減小電壓波動(dòng)，同時(shí)還要限制充放電電流，避免過大電流損壞器件。另一方面要將超級(jí)電容儲(chǔ)能量控制在一個(gè)合理的范圍，既能提供一定功率輸出，也可留有一定的吸收能量空間。

圖4 雙向DC-DC變換器控制框圖

控制系統(tǒng)采用電壓電流的雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。列車的運(yùn)行狀態(tài)由牽引、制動(dòng)特性曲線唯一決定，列車的運(yùn)行速度與電機(jī)電流、電壓一一對(duì)應(yīng)，通過列車速度即可確定直流電網(wǎng)電壓參考值。控制原理是電壓給定與電壓反饋進(jìn)行比較，得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為電流給定IL*，IL*與電流反饋IL進(jìn)行比較，得到的電流誤差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，通過PWM控制得到驅(qū)動(dòng)雙向DC-DC變換器IGBT的占空比。

本文給出了直流參考電壓Uref，為了確定直流參考電壓Uref必須遵循以下步驟：

（1）當(dāng)機(jī)車牽引或者加速時(shí)，它是由減輕了牽引變電所負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)下的直流電壓值決定的。

（2）當(dāng)機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，它是由電流從牽引變電所流向逆變器還是從逆變器流向牽引變電所決定的，即電流的方向。

由于上述2個(gè)原因，直流參考電壓Uref必須在充電和放電時(shí)選擇不同的值。直流參考電壓是由異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩決定的。當(dāng)其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速增加時(shí)，機(jī)車處于牽引或者加速運(yùn)行模式，然后給出放電時(shí)的直流參考電壓Uref；另一方面，在其運(yùn)行再生制動(dòng)模式時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩減小，就可以給出充電狀態(tài)下的參考電壓Uref。此外，也會(huì)給出超級(jí)電容器的充電和放電控制下的轉(zhuǎn)矩偏差信息。在轉(zhuǎn)矩突然改變之時(shí)就能控制超級(jí)電容器的充電和放電，直流參考電壓Uref的值會(huì)隨著充電或放電的不同而改變。綜上可知，當(dāng)機(jī)車牽引時(shí)參考電壓Uref= 740 V，即當(dāng)牽引網(wǎng)電壓低于740 V時(shí)，超級(jí)電容開始放電；當(dāng)機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)參考電壓Uref= 770 V，即當(dāng)牽引網(wǎng)電壓高于770 V時(shí)，超級(jí)電容開始吸收再生制動(dòng)能量。另外還要估計(jì)檢測(cè)到的直流電壓Udc與參考電壓Uref的誤差，而超級(jí)電容器參考電流IL*是通過式（1）求得。

式中，Pgain和Igain分別是任意常數(shù)，通過這種方式，升壓和降壓變換器可以分不同情況恰當(dāng)?shù)乜刂啤?/p>

2 MATLAB仿真

2.1 仿真模型的建立

使用MATLAB/Simulink建立含超級(jí)電容器的儲(chǔ)能裝置的750 V直流電氣仿真模型[9，10]。以磁場(chǎng)定向矢量控制的交流傳動(dòng)系統(tǒng)能夠提供最佳啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使列車快速、平穩(wěn)啟動(dòng)；系統(tǒng)有很高的速度精度和很寬的調(diào)整范圍，能夠保證列車在各級(jí)速度穩(wěn)定運(yùn)行；有理想的電氣制動(dòng)功能，使列車能夠可靠地制動(dòng)、準(zhǔn)確地停車，同時(shí)向電網(wǎng)回饋電能，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器采用基于 SVPWM 兩電平電壓型逆變器供電的矢量控制策略，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來模擬城市軌道交通列車啟動(dòng)、惰行和制動(dòng)工況。圖5是系統(tǒng)仿真主電路結(jié)構(gòu)圖。

圖5 主電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 仿真參數(shù)

牽引網(wǎng)電壓參數(shù)：牽引網(wǎng)Udc= 750 V；線路參數(shù)R= 0.01 ?，L1= 0.2 mH，C1= 0.124 F。

超級(jí)電容參數(shù)：電壓范圍1 200～400 V；超級(jí)電容C2= 5 F，RES= 0.06 ?、REP= 60 000 ?，最大放電電流500 A，初始電壓400 V。

雙向 DC-DC變換器參數(shù)：濾波電容C1=1 000 μF，儲(chǔ)能電感L= 4.17 mH。

牽引電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

2.3 仿真結(jié)果

對(duì)文中提出以控制牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)為目標(biāo)的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖6所示為模擬列車啟動(dòng)、巡航和制動(dòng)過程中相應(yīng)的電機(jī)速度、定子 a相電流和電磁轉(zhuǎn)矩變化圖。列車在0.6 s內(nèi)加速至500 r/min，然后勻速運(yùn)行，在1 s時(shí)開始減速，經(jīng)過0.6 s減速至0。

表1 仿真平臺(tái)牽引電機(jī)參數(shù)表

圖6 模擬列車基本運(yùn)行曲線圖

圖 7是超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置投入前后牽引網(wǎng)電壓對(duì)比，U1是超級(jí)電容投入前牽引網(wǎng)的電壓，U2是超級(jí)電容投入時(shí)牽引網(wǎng)電壓，由圖對(duì)比可知當(dāng)機(jī)車牽引時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置釋放能量，減小牽引變電所供給的線網(wǎng)電流，降低線路上的阻抗損耗，有效抑制牽引網(wǎng)電壓的跌落；當(dāng)機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置吸收線路上的再生制動(dòng)能量，即節(jié)約了能源，又抑制了牽引網(wǎng)電壓的上升。

圖7 超級(jí)電容器組投入使用前后牽引電網(wǎng)電壓曲線圖

仿真結(jié)果驗(yàn)證了超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置應(yīng)用在城市軌道交通中起到“削峰填谷”的作用，較好地改善牽引網(wǎng)電壓，而采用的電壓電流的雙閉環(huán)控制策略也是可行的。

3 結(jié)論

本文建立了24脈動(dòng)供電系統(tǒng)模型和矢量控制的列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，仿真結(jié)果表明，24脈動(dòng)供電性能良好，大大降低了諧波含量，電壓脈動(dòng)較小。然后提出了超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的組成及設(shè)計(jì)方法，對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置在城市軌道交通中抑制牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)、防止機(jī)車再生失效，提高直流供電網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，提出了對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的控制策略。通過仿真驗(yàn)證了超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置在軌道交通中吸收再生制動(dòng)能量，抑制牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)，提高供電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要作用。

目前仿真是基于單列車四電機(jī)，單變電所為例，做了初步的討論，在將來研究中還要充分考慮多列車運(yùn)行時(shí)制動(dòng)能量交換問題，進(jìn)而優(yōu)化超級(jí)電容的容量配置及充放電控制策略。

[1]王彥崢，蘇鵬程.城市軌道交通再生電能回收技術(shù)方案的研究[J].電氣化鐵道，2004，（2）：37-40.

[2]曾建軍，林知明，張建德.地鐵制動(dòng)能量分析及再生技術(shù)研究[J].城市軌道交通，2006，（6）：37-40.

[3]桂長(zhǎng)青.新型儲(chǔ)能元件超級(jí)電容[J].船電技術(shù)，2003，1（9）：23-26.

[4]鄧隆陽，黃海燕.超級(jí)電容性能試驗(yàn)與建模研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，（1）：28-31.

[5]聶晶鑫，郭育華.超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置在軌道交通中的應(yīng)用[J].電氣化鐵道，2011，（2）：48-50.

[6]武利斌，譚永東.超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].科技信息，2010，（30）：9-10.

[7]張慧研，韋統(tǒng)展，齊智平.超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（8）：92-96.

[8]劉鈺山，葛寶明，畢大強(qiáng).基于多相整流的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波抑制[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，35（2）：99-104.

[9]Nomura, M.; Tadano, Y.; Yamada, T.; etc.“Performance of inverter with electrical double layer capacitor for vector controlled induction motor drives”, Industry Applications Conference, 2005.Fourtieth IAS Annual Meeting.Conference Record of the 2005, 1073-1080 Vol.2.

[10]何曉光，張逸成.軌道交通超級(jí)電容能力回收控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2005，（5）：73-75.