城軌列車(chē)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真分析

【摘要】本文針對(duì)城市軌道交通中再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)展開(kāi)了研究。文中主要探討了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，針對(duì)系統(tǒng)的儲(chǔ)能模式進(jìn)行了建模與仿真，定性分析了仿真結(jié)果，提出了安全可靠的控制策略，對(duì)城軌列車(chē)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】超級(jí)電容；再生制動(dòng)能量；能量管理

Abstract：In this paper，the charging and discharging control strategies of the super capacitor energy storage system has been discussed.First，through the super capacitor energy storage system for analysis，the corresponding mathematical models，and propose a super capacitor charging and discharging control strategy.Secondly，the paper has simulated the Voltage change of the grid by Matlab/Simulink simulation platform and super capacitor energy storage system which provides a theoretical guidance and application basis for the practical engineering.

Key Words：Ultra-Capacitor；Regenerating energy；Energy management

1.引言

在全球倡導(dǎo)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的今天，軌道交通節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的重視，大力發(fā)展城市軌道交通已成為世界各國(guó)的共識(shí)。城市軌道交通由于其運(yùn)輸量大，啟、制動(dòng)頻繁，采用再生制動(dòng)方式的電制動(dòng)，進(jìn)一步降低了列車(chē)的運(yùn)行能耗，使軌道交通在節(jié)能運(yùn)行方面的優(yōu)勢(shì)更加突出。同時(shí)，使用再生制動(dòng)方式，列車(chē)產(chǎn)生的再生能量全部回饋到直流母線并供給同一供電區(qū)間內(nèi)的其他車(chē)輛使用，節(jié)能的同時(shí)，也進(jìn)一步降低了車(chē)輛運(yùn)行的維護(hù)工作量，提高了車(chē)輛的運(yùn)行可靠性[1]。

再生制動(dòng)能量吸收裝置主要由電阻耗能型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、逆變回饋型等幾種方案[2]。超級(jí)電容具有充放電速度快、功率密度高、工作溫度范圍寬、環(huán)保無(wú)污染、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于城市軌道列車(chē)再生制動(dòng)能量的吸收裝置中。

2.超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

本文以城市軌道交通再生制動(dòng)地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)（Ultra-Capacitor Energy Storage System）為研究對(duì)象。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。主要由兩部分組成：一是超級(jí)電容器組；二是能量變換裝置雙向DC-DC變換器。當(dāng)?shù)孛媸匠?jí)電容器組附近有列車(chē)制動(dòng)或減速時(shí)，直流電網(wǎng)電壓升高，經(jīng)雙向DC-DC變換器，超級(jí)電容器組吸收再生制動(dòng)電能；當(dāng)附近有列車(chē)啟動(dòng)或加速時(shí)，直流電網(wǎng)電壓下降，超級(jí)電容器組釋放存儲(chǔ)的能量，經(jīng)雙向DC-DC變換器提供給列車(chē)使用。這兩種工作方式，都實(shí)現(xiàn)了一定的穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能量的重復(fù)利用。

2.1 超級(jí)電容器組

超級(jí)電容器實(shí)質(zhì)上具有一種復(fù)雜的電阻電容網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由很多單體超級(jí)電容串、并聯(lián)組合成的。在做儲(chǔ)能器件時(shí)，超級(jí)電容器的工作狀態(tài)以比較頻繁的充放電為主，可以簡(jiǎn)化其中的超級(jí)電容為一個(gè)等效串聯(lián)電阻和一個(gè)理想電容構(gòu)成。這種RC等效模型簡(jiǎn)單，且能夠較準(zhǔn)確地反應(yīng)出超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中的外在電氣特性，便于解析分析和數(shù)值計(jì)算。

如果放電過(guò)程中，超級(jí)電容器組的電壓從變換至，可得超級(jí)電容器組釋放能量為：

在已知列車(chē)牽引網(wǎng)、制動(dòng)能量，直流電網(wǎng)電壓和超級(jí)電容單體參數(shù)，便可確定超級(jí)電容器組中串并聯(lián)電容個(gè)數(shù)，并聯(lián)支路數(shù)，以及額定電壓、電流等詳細(xì)參數(shù)。本文研究的超級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)由3240個(gè)單體電容組成，按照8并12串為一個(gè)模組，總共45個(gè)模組，所有模組串聯(lián)組合而成。

2.2 雙向DC-DC變換器

雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)的功能相當(dāng)于boost-buck變換器，變換器兩端電壓不變，但電流方向改變，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。雙向DC-DC變換器分為隔離式和非隔離式，非隔離式器件少、控制簡(jiǎn)單，廣泛用于飛輪儲(chǔ)能、風(fēng)力發(fā)電等直流母線電壓變化范圍大，需要進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換的中小功率應(yīng)用場(chǎng)合。

在超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中，通常選擇非隔離式，如圖2所示。主要工作在3個(gè)工作狀態(tài)：列車(chē)制動(dòng)時(shí)，網(wǎng)壓上升，變換器等效為降壓斬波器，把電網(wǎng)多余能量傳遞給超級(jí)電容器組；列車(chē)惰性時(shí)，變換器不工作，處于備用狀態(tài)；列車(chē)牽引時(shí)，網(wǎng)壓下降，變換器等效為升壓斬波器，超級(jí)電容器將存儲(chǔ)的能量反饋給列車(chē)，輔助列車(chē)啟動(dòng)。通過(guò)以上三個(gè)狀態(tài)的輪替，即實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)利用，同時(shí)，是直流電網(wǎng)電壓避免了大范圍波動(dòng)，改善用電質(zhì)量。

圖2 雙向DC-DC變換電路

3.超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析與仿真

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由超級(jí)電容器組和雙向DC-DC變換器構(gòu)成。結(jié)合兩者的特性，利用狀態(tài)空間平均法分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制模型。狀態(tài)空間平均法是從變換器一個(gè)周期內(nèi)隨開(kāi)關(guān)狀態(tài)不同而不同拓?fù)涑霭l(fā)，建立對(duì)應(yīng)的狀態(tài)微分方程組，從而較為方便進(jìn)行變換器的控制設(shè)計(jì)和性能分析。

采用狀態(tài)平均法對(duì)雙向DC-DC變換器的降壓斬波器和升壓斬波器分別建模，最終得到統(tǒng)一的控制模型[4]。由圖2電路可知，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)作主要通過(guò)S1和S2兩個(gè)IGBT的導(dǎo)通與斷開(kāi)控制。列車(chē)制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容處于充電模式，S1導(dǎo)通，S2開(kāi)；列車(chē)啟動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容處于放電模式，S2導(dǎo)通，S1斷開(kāi)?？紤]都S1和S2在充放電過(guò)程中處于工作互補(bǔ)狀態(tài)，我們將其看成一個(gè)互補(bǔ)的數(shù)字開(kāi)關(guān)，這樣得到其等效電路，如圖3所示。其中i0為直流電網(wǎng)輸入電流，U0為直流電網(wǎng)電壓，USC為超級(jí)電容器組端電壓，C1為濾波電容器，L0為濾波電抗器，CSC和R為超級(jí)電容器組容量和電阻，iL為與超級(jí)電容器組串聯(lián)的電感電流。

圖3 雙向DC-DC變換電路等效電路

3.1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

為了驗(yàn)證超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink搭建了單變電所單列車(chē)仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)包括了列車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)、超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)兩大部分。超級(jí)電容參數(shù)：額定電壓1458V、內(nèi)阻13.5mΩ、電容值44.44F、初始電壓600V。雙向DC-DC變換器參數(shù)：濾波電容0.01F、濾波電感4mH、儲(chǔ)能電感2.5mH。

列車(chē)啟動(dòng)，線網(wǎng)電壓下降，當(dāng)線網(wǎng)電壓低于1450V是，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量；惰性期間，停止工作；制動(dòng)期間，線網(wǎng)電壓高于1630V時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收能量，當(dāng)高于1650V時(shí)，地面電阻投入使用，消耗多余能量。

仿真一輛列車(chē)啟動(dòng)出站，無(wú)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，線網(wǎng)電壓變化如圖7所示。加入超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)后，當(dāng)線網(wǎng)電壓低于1450V時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)投入工作，控制變換器模塊工作在Boost狀態(tài)，超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊向線網(wǎng)釋放能量，如圖8所示。對(duì)比仿真結(jié)果，線網(wǎng)最低電壓由無(wú)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)的1150V升高至加入超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)后的1300V，電壓上升140V，這將很大程度的改善電機(jī)的啟動(dòng)性能。另外，超級(jí)電容能量的使用，實(shí)現(xiàn)了能量的重復(fù)利用。

4.結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)城市軌道交通中再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)展開(kāi)了研究。文中主要探討了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，針對(duì)系統(tǒng)的儲(chǔ)能模式進(jìn)行了建模與仿真，定性分析了仿真結(jié)果，提出了安全可靠的控制策略，對(duì)城軌列車(chē)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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