基于超級(jí)電容的列車制動(dòng)能量回收控制策略

曾 光，楊 儉，宋瑞剛

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院,上海 201620；2.上海地鐵電子科技有限公司，上海 200233)

城軌列車運(yùn)行過程一般比較復(fù)雜，且具有站間距離短、行車密度高、用電電壓電流較大等特點(diǎn)。城軌列車在頻繁起動(dòng)與制動(dòng)過程中牽引網(wǎng)電壓大幅波動(dòng)，易導(dǎo)致過壓或欠壓故障。在城軌列車制動(dòng)過程中還會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)能量[1]。

目前，城軌列車主要采用電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)相結(jié)合的方式處置制動(dòng)能量[2-3]。該方案基于對(duì)牽引網(wǎng)電壓的監(jiān)控。在制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓上升，當(dāng)牽引網(wǎng)電壓小于1 650 V時(shí)，采用再生制動(dòng)，將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能被同一供電區(qū)間內(nèi)其他相鄰列車吸收利用；當(dāng)牽引網(wǎng)電壓介于1 650～1 800 V之間時(shí)，再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)共同作用，通過制動(dòng)電阻耗散電能；當(dāng)牽引網(wǎng)電壓大于1 800 V時(shí)，進(jìn)一步觸發(fā)橇棒電路進(jìn)行放電，以保護(hù)逆變器。該方案不僅造成制動(dòng)能量浪費(fèi)，還無法降低牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍。

從列車運(yùn)行系統(tǒng)的角度，本文主張安裝一種車載式超級(jí)電容能量回收利用裝置，并提出了相匹配的控制策略，用以改善列車制動(dòng)能量的利用狀況。

1 列車運(yùn)行特性

如圖1所示，在理想情況下，依據(jù)運(yùn)行速度可將列車從起動(dòng)到停止的整個(gè)過程劃分為3段：加速牽引段(0～12.4 s)、惰行運(yùn)行段(12.4～15 s)以及減速制動(dòng)段(15～26 s)。

在列車牽引加速段，牽引電機(jī)依次經(jīng)歷恒轉(zhuǎn)矩區(qū)(0～5.6 s)、恒功率區(qū)(5.6～11 s)和自然特性區(qū)(11～12.4 s)。在列車制動(dòng)減速段，牽引電機(jī)調(diào)速過程相反。當(dāng)減速度較小時(shí)，制動(dòng)過程可不經(jīng)歷恒功率區(qū)。

在列車運(yùn)行過程中，牽引電機(jī)用電特性可以通過牽引電機(jī)定子回路的線電壓uab(t)、線電流iL(t)、有功功率Pe來表示，分別為

(1)

(2)

(3)

式中，Uab為線電壓有效值；ω為電機(jī)同步角速度；t為列車運(yùn)行時(shí)刻；θ為線電流與線電壓感性相位移角；IL為線電流有效值。

牽引電機(jī)是電能和機(jī)械能的換能器。在忽略損耗的情況下，列車機(jī)械運(yùn)行特性可以通過牽引電機(jī)的角速度ωr、機(jī)械功率Pm來表示，分別如[4]式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

式中，Tei為電磁轉(zhuǎn)矩；Tm為運(yùn)行阻力轉(zhuǎn)矩；np為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Jeq為列車運(yùn)行等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；η為機(jī)械效率。

列車在惰行區(qū)段時(shí)，Tei-Tm=0。由式(5)可知，此區(qū)段內(nèi)列車運(yùn)行功率主要取決于列車運(yùn)行阻力轉(zhuǎn)矩Tm。由于列車運(yùn)行具有站間距離短特點(diǎn)，牽引加速度和制動(dòng)減速度較大，故Tei-Tm?Tm，因此列車在牽引過程消耗的功率和制動(dòng)過程回饋的功率一般較大，且遠(yuǎn)大于列車在惰行區(qū)段功率。基于列車運(yùn)行過程中這種機(jī)械功率特性，列車制動(dòng)時(shí)回饋的制動(dòng)能量在回收后可用于補(bǔ)償列車牽引消耗。

在列車運(yùn)行過程中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無損耗簡(jiǎn)化，并結(jié)合牽引電機(jī)用電特性和機(jī)械運(yùn)行特性，以牽引網(wǎng)電壓Udc不變做一個(gè)推導(dǎo)。首先由功率平衡關(guān)系可求得

iL(t)uab(t)=idc(t)Udc

(6)

式中，idc(t)為牽引網(wǎng)電流，為

(7)

結(jié)合式(5)和式(7)得到列車運(yùn)行過程中的牽引網(wǎng)直流電流分量

(8)

根據(jù)式(4)、式(5)和式(8)，在保持Udc不變情況下，列車從起動(dòng)到停止過程中，列車運(yùn)行速度、牽引電機(jī)功率、牽引網(wǎng)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化過程如圖1所示。由圖1可以看出，牽引網(wǎng)電流Idc與牽引電機(jī)功率成正比列關(guān)系，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)(0.0～5.6 s與20.4～26.0 s)，牽引電機(jī)功率大小隨列車運(yùn)行速度變化；在恒功率區(qū)(5.6～11.0 s與15.0～20.4 s)，牽引電機(jī)功率數(shù)值恒定；在惰行區(qū)(12.4～15.0 s)，牽引電機(jī)功率數(shù)值較小。牽引時(shí)牽引電機(jī)功率數(shù)值為正，制動(dòng)時(shí)牽引電機(jī)功率數(shù)值為負(fù)。

圖1 列車運(yùn)行特性Figure 1. Train operating characteristics

制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)及其控制策略，以保持Udc不變?yōu)榭刂颇繕?biāo)，以Idc為控制依據(jù)，通過回收Pm值為負(fù)時(shí)的制動(dòng)能量，補(bǔ)償Pm值為正時(shí)所需的牽引能量，使能量回收系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)也可滿足列車運(yùn)行過程中牽引電機(jī)的用電特性和機(jī)械運(yùn)行特性[5]，進(jìn)而保障列車供電質(zhì)量，并保持列車轉(zhuǎn)矩與速度等原有變化過程不受影響。

2 牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)分析

城軌列車多采用交直交電力傳動(dòng)系統(tǒng)。如圖2所示，該系統(tǒng)能于交流電網(wǎng)，經(jīng)過主變壓器降壓，由二極管整流系統(tǒng)整流為直流電，濾波后輸送到牽引網(wǎng)(或第三軌)。列車受流裝置(受電弓或受流靴)與牽引網(wǎng)滑動(dòng)連接，直流電通過列車車載逆變器逆變?yōu)殡妷?、頻率可調(diào)的交流電，從而驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)形成動(dòng)力[6]。

在列車運(yùn)行過程中，牽引網(wǎng)功率與電機(jī)功率存在雙向流動(dòng)，但牽引變電所二極管整流電路功率是單向的[7]，只能從交流側(cè)輸送到牽引網(wǎng)，而且由于牽引網(wǎng)與鋼軌都存在阻抗，因此導(dǎo)致整流電路與牽引電機(jī)兩者的功率不相等，最終造成Udc的波動(dòng)[8]。

圖2 城軌列車電力傳動(dòng)系統(tǒng)Figure 2. Electric drive system of urban rail train

依據(jù)城市軌道交通的供電和列車運(yùn)行特性，得出列車牽引過程中牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為1 250～1 500 V。列車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電阻斬波器將牽引網(wǎng)電壓限制在1 800 V內(nèi)，因此列車運(yùn)行過程中牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為1 250～1 800 V。當(dāng)波動(dòng)為額定電壓1 500 V的-16.7%～20%時(shí)，電壓波動(dòng)較大。

牽引網(wǎng)電壓的大幅度波動(dòng)是因?yàn)槟壳俺鞘熊壍澜煌ㄏ到y(tǒng)采用制動(dòng)電阻方案。該方案未考慮輸入、輸出功率不匹配這一引起電壓變化的本質(zhì)因素，導(dǎo)致無法突出較好的動(dòng)態(tài)特性，無法給列車運(yùn)行提供穩(wěn)定可靠的供電電壓。而儲(chǔ)能裝置則可將列車電力傳動(dòng)系統(tǒng)輸入、輸出功率進(jìn)行匹配。

3 制動(dòng)能量回收與利用

3.1 制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)

本文采用超級(jí)電容串并聯(lián)儲(chǔ)能單元和雙向DC-DC變換器(Direct Current to Direct Current Converter)組成的車載式制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)方案，對(duì)列車電力傳動(dòng)系統(tǒng)輸入、輸出功率進(jìn)行匹配。如圖3所示，制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)并聯(lián)接在列車高壓主回路的LC濾波器側(cè)。該系統(tǒng)由主電路、參數(shù)測(cè)量模塊、控制模塊構(gòu)成。主電路包括DC-DC主電路模塊、限流環(huán)節(jié)、超級(jí)電容串并聯(lián)儲(chǔ)能單元。該系統(tǒng)主要涉及直流電路，因此本文對(duì)原車載逆變器交流電路不作過多闡述。

該系統(tǒng)中雙向DC-DC變換電路對(duì)能量供需雙方之間的時(shí)間差和供需量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)列車非制動(dòng)時(shí)釋放電能，制動(dòng)時(shí)回收電能。制動(dòng)能量的回收以列車原有電制動(dòng)的再生制動(dòng)回饋為基礎(chǔ)，對(duì)車載逆變器回饋到牽引網(wǎng)的制動(dòng)能量中引起觸網(wǎng)電壓升高部分進(jìn)行回收。制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)通過受流裝置連接在牽引網(wǎng)回路中。在非制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容釋放能量，本車為主要負(fù)載，同時(shí)還可以為同一供電區(qū)間內(nèi)的其他相鄰列車進(jìn)行功率補(bǔ)償。

圖3 制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)總體方案原理圖Figure 3. Schematic diagram of the overall scheme of the braking energy recovery and utilization system

該系統(tǒng)首先根據(jù)列車電流值I進(jìn)行列車運(yùn)行狀態(tài)判斷[9]，如果列車電流值I為負(fù)，表示列車處在制動(dòng)狀態(tài)，控制模塊根據(jù)超級(jí)電容充電控制策略，調(diào)節(jié)充電時(shí)雙向DC-DC變換電路低壓端電壓UL；如果列車電流值I為正，表示列車處在非制動(dòng)狀態(tài)，控制模塊根據(jù)超級(jí)電容放電控制策略，調(diào)節(jié)放電時(shí)雙向DC-DC變換電路高壓端電壓UH。該系統(tǒng)通過對(duì)UL及UH的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容串并聯(lián)儲(chǔ)能單元充放電功率PSC的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車電力傳動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)輸入、輸出功率的匹配控制。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)列車在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，平滑切換能量回收利用系統(tǒng)的工作模式，在控制牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定的情況下，使超級(jí)電容充放電功率以功率正向或負(fù)向?qū)α熊囘\(yùn)行功率進(jìn)行補(bǔ)償[10]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)控制策略流程圖Figure 4. Flow chart of control strategy of braking energy recovery and utilization system

3.2 雙向DC-DC變換器

眾多雙向DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，半橋型Buck/boost具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便和可靠性較高的優(yōu)點(diǎn)，且有較好的調(diào)壓特性。此外，半橋型Buck/boost效率較高，其穩(wěn)健性和動(dòng)態(tài)性能能夠滿足能量轉(zhuǎn)換的特殊要求。綜上所述，本文采用半橋型Buck/boost雙向DC-DC變換器。

雙向DC-DC變換器在列車運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程中，可隨列車運(yùn)行狀態(tài)的變化而不斷改變控制方式。其控制方式按照策略特性分為降壓充電模式、升壓放電模式和電壓封鎖模式。雙向DC-DC變換器就在這3種工作模式下進(jìn)行制動(dòng)能量的回收和利用[11]。

雙向DC-DC變換器主要由主電路模塊、PWM(Pulse Width Modulation)發(fā)生器、隔離驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 雙向DC-DC變換器結(jié)構(gòu)圖Figure 5. Diagram of Bi-DC-DC converter structure

如圖6所示，主電路模塊包括功率開關(guān)管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、高壓側(cè)濾波電容、低壓側(cè)濾波電容、升降壓電感。高壓側(cè)濾波電容并聯(lián)接在列車高壓主回路的LC濾波器側(cè)，形成CLC濾波電路[12]。該濾波電路對(duì)直流紋波有一定的抑制作用，可以減小給列車傳動(dòng)系統(tǒng)帶來的不利影響[13]。

圖6 雙向DC-DC變換器主回路Figure 6. Bi-DC-DC converter main circuit

列車運(yùn)行狀態(tài)電流I、變換器兩端口電壓UH與UL、低壓端電流IL由參數(shù)測(cè)量模塊測(cè)得，并作為控制電路輸入量。該系統(tǒng)控制模塊根據(jù)列車運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算并輸出所需占空比，控制DC-DC高壓或低壓側(cè)端口電壓，使超級(jí)電容的充放電功率與列車的運(yùn)行功率相匹配。

雙向DC-DC裝置在降壓充電模式下低壓側(cè)電壓UL和在升壓放電模式下高壓側(cè)電壓UH分別為

UL=DdUH

(9)

UH=UL/(1-Du)

(10)

式中，Dd為降壓占空比；Du為升壓占空比。

該系統(tǒng)控制模塊將動(dòng)態(tài)變化的占空比輸入到PWM發(fā)生器，通過PWM發(fā)生器輸出矩形脈沖信號(hào)到隔離驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)雙向DC-DC變換器主電路模塊的IGBT功率管，經(jīng)濾波后形成充電或放電所需直流電。該系統(tǒng)通過設(shè)置工作模式切換的閾值區(qū)間來改變控制方式。

3.3 超級(jí)電容等效計(jì)算

超級(jí)電容可等效為內(nèi)阻r與理想電容c組成的串聯(lián)RC電路[14]，等效電路如圖7所示。根據(jù)等效電路，超級(jí)電容實(shí)際的電壓值Uc計(jì)算為

Uc=USC-ILr

(11)

式中，USC為超級(jí)電容模塊端口電壓值；Uc為超級(jí)電容實(shí)際電壓值；r為超級(jí)電容等效內(nèi)阻阻值。

圖7 超級(jí)電容等效電路Figure 7. Super capacitor equivalent circuit

3.4 限流環(huán)節(jié)

超級(jí)電容在充電過程中，由于其等效內(nèi)阻阻值較小(r→0)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊電流Imax。針對(duì)此問題，對(duì)超級(jí)電容充電時(shí)接入限流電阻R(選用列車原有1 Ω制動(dòng)電阻)。因限流電阻阻值R?r，所以限流后沖擊電流為

(12)

在放電過程中，如果限流電阻R常接在電路中，會(huì)產(chǎn)生能量損耗和電壓降，因此在限流電阻上并聯(lián)一個(gè)二極管，使超級(jí)電容充電時(shí)通過限流電阻進(jìn)行充電，超級(jí)電容放電時(shí)通過二極管進(jìn)行放電。放電時(shí)超級(jí)電容等效為內(nèi)阻很小的電源，放電時(shí)的電流通過放電控制策略進(jìn)行限制。

在列車進(jìn)行維修或長(zhǎng)時(shí)間停車前，應(yīng)控制限流環(huán)節(jié)中IGBT導(dǎo)通。將限流電阻R與超級(jí)電容串并聯(lián)儲(chǔ)能單元并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容組放電至0 V，保證列車和人員安全，如圖8所示。

圖8 超級(jí)電容充電限流環(huán)節(jié)Figure 8. Super capacitor charging current limiting link

3.5 超級(jí)電容充電策略

超級(jí)電容有多種充放電策略，例如恒流、恒壓、恒負(fù)載、恒功率等[15]。這些常用的充放電策略均針對(duì)超級(jí)電容充放電。

因?yàn)殡p向DC-DC變換器控制目標(biāo)是維持UH穩(wěn)定，所以超級(jí)電容充放電功率均受列車運(yùn)行功率限制。為實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的平滑回收與利用，本文提出的超級(jí)電容充放電控制策略的重點(diǎn)在于列車運(yùn)行功率。

充電時(shí)，DC-DC裝置低壓側(cè)電壓UL即為超級(jí)電容組的充電端電壓，由此可得超級(jí)電容組充電功率為

PSC=ULIL=UL(UL-Uc)/(R+r)

(13)

保持Udc不變即Udc=UH，則列車制動(dòng)功率等于超級(jí)電容充電功率Pm=PSC，可推得

(14)

根據(jù)式(8)，雙向DC-DC裝置充電降壓占空比為

(15)

由式(15)可知，雙向DC-DC裝置充電降壓占空比隨著超級(jí)電容實(shí)際電壓Uc和制動(dòng)時(shí)列車電流I不斷進(jìn)行調(diào)控。

制動(dòng)能量回收時(shí)，電制動(dòng)能量不僅可給本車輔助供電(Paux)，還可為同一供電區(qū)間內(nèi)其他相鄰列車供電(Pother)，所以超級(jí)電容可只吸收大部分電制動(dòng)電能，以減少超級(jí)電容單體的使用數(shù)量。此時(shí)超級(jí)電容需要吸收功率為

PSC=Pm-Paux-Pother

(16)

因此式(15)中制動(dòng)時(shí)列車電流I需要優(yōu)化為式(17)。

I*=(Pm-Paux-Pother)/Udc

(17)

3.6 超級(jí)電容放電策略

因?yàn)槌?jí)電容容量有限，所以在保證牽引網(wǎng)電壓不會(huì)被抬高的前提下優(yōu)先利用超級(jí)電容供電，使超級(jí)電容盡可能處于低儲(chǔ)能狀態(tài)，從而有足夠的空間來回收電制動(dòng)能量，避免造成牽引網(wǎng)過壓故障。

當(dāng)列車運(yùn)行所需的功率小于或等于超級(jí)電容組電路所能輸出最大電流ILmax的功率時(shí)，可實(shí)現(xiàn)列車牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定，即雙向DC-DC變換器高壓側(cè)輸出電壓UH=Udc，占空比根據(jù)式(9)隨著UL不斷進(jìn)行調(diào)控。

在超級(jí)電容放電過程中，隨著Uc不斷下降，Du需要不斷增大，而且隨著牽引功率的增加，高壓側(cè)輸出電流IH也在不斷增大，超級(jí)電容輸出電流IL迅速增大，輸出電流為式(18)。

IL=IH/(1-Du)

(18)

當(dāng)列車運(yùn)行所需的功率大于超級(jí)電容組電路所能輸出最大電流功率時(shí)，雙向DC-DC裝置采用PID控制(Packet Identifier)微調(diào)環(huán)節(jié)控制占空比，向下微調(diào)UH[16]。按照超級(jí)電容組最大所能承受的放電電流向列車回饋能量，其PID控制環(huán)節(jié)偏差及控制規(guī)律如[17]下式所示。

e(t)=IL(t)-ILmax

(19)

(20)

城軌列車使用的IGBT額定電壓值為3 300 V，80 ℃時(shí)的額定電流值為800 A，所以設(shè)定最大電流值為ILmax=800 A。

4 模型仿真試驗(yàn)

采用模擬軟件MATLAB/Simulink對(duì)本文提出的制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)的控制方法建立系統(tǒng)模型，系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

雙向DC-DC變換器處于降壓模式時(shí)，升降壓電感電流臨界連續(xù)的最大值為7.5 A。列車制動(dòng)時(shí)超級(jí)電容充電電流大于7.5 A時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)電流充電，且充電電壓最大振幅為58.6 mV。在升壓模式時(shí)，電感電流臨界連續(xù)的最大值為18.75 A，高壓側(cè)電壓最大振幅為2 V，因此在列車運(yùn)行過程中，制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)的雙向DC-DC變換器可以穩(wěn)定工作。

為了檢驗(yàn)本文提出的制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)的控制方法在不同工況下平抑電壓波動(dòng)的有效性，現(xiàn)以上海軌道交通3號(hào)線數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真參數(shù)見表2。

表2 列車運(yùn)行參數(shù)

仿真結(jié)果如圖9所示。根據(jù)列車運(yùn)行狀態(tài)，將圖9分為7個(gè)階段：0～11 s(階段1)為恒功率制動(dòng)；11～21 s(階段2)為恒轉(zhuǎn)矩制動(dòng)；21～23 s(階段3)為停車，23.0～27.3 s(階段4)與27.3～34.1 s(階段5)為恒轉(zhuǎn)矩牽引；34.1～38.9 s(階段6)與38.9～45.0 s(階段7)為恒功率牽引。

圖9 系統(tǒng)仿真運(yùn)行結(jié)果Figure 9. System simulation results

牽引網(wǎng)電壓波形中實(shí)線為同等運(yùn)行狀態(tài)下，使用制動(dòng)電阻策略的牽引網(wǎng)電壓波形UHR，虛線為使用本文控制策略牽引網(wǎng)電壓波形UHC。超級(jí)電容充放電電流波形中，虛線為DC-DC裝置低壓側(cè)電壓UL波形，實(shí)線為超級(jí)電容實(shí)際電壓Uc波形。

在列車制動(dòng)過程中，在采用制動(dòng)電阻方案的情況下，牽引網(wǎng)電壓UHR在1 650～1800 V之間波動(dòng)。而采用本文提出的車載式制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)及超級(jí)電容充放電控制策略方案后，在超級(jí)電容充電時(shí)，Uc不斷增大，可保持牽引網(wǎng)電壓UHC始終穩(wěn)定在1 490 V。

列車牽引過程中，在采用制動(dòng)電阻方案的情況下，牽引網(wǎng)電壓UHR逐漸下降，列車進(jìn)入恒功率牽引時(shí)維持在最低值1 263 V。采用本文提出的車載式制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)及超級(jí)電容充放電控制策略方案，在超級(jí)電容放電時(shí)，牽引運(yùn)行前段(階段4)內(nèi)UHC保持不變，持續(xù)5.5 s，占整個(gè)制動(dòng)進(jìn)程25%。隨著超級(jí)電容放電電流達(dá)到限流值(階段5)，UH開始降低。由于超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量只能提供部分牽引所需能量[18]，到階段7時(shí)，超級(jí)電容電壓已達(dá)到最低，停止放電。在整個(gè)放電過程中，因?yàn)槌?jí)電容向列車運(yùn)行正向功率補(bǔ)償，所以UHC一直大于UHR，占整個(gè)制動(dòng)進(jìn)程76.4%。因此，本文提出的車載式制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)及超級(jí)電容充放電控制策略方案可以最大限度抑制電壓波動(dòng)。

在列車運(yùn)行過程中，超級(jí)電容串并聯(lián)組電壓由50 V充電到電壓為710 V后放電，電流均控制在807 A內(nèi)。制動(dòng)過程產(chǎn)生電量3.92 kWh，輔助設(shè)備用電0.594 kWh，限流電阻吸收2.086 kWh，超級(jí)電容吸收1.24 kWh，超級(jí)電容吸收能量占制動(dòng)總能量31.5%，說明方案能安全有效地回收制動(dòng)能量并進(jìn)行利用，減少了能量浪費(fèi)。

5 結(jié)束語

建模仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的車載式制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)及超級(jí)電容充放電控制策略方案動(dòng)態(tài)特性良好，響應(yīng)快，輸出電壓穩(wěn)定，輸出電流符合要求，能在有效回收利用列車制動(dòng)能量的同時(shí)抑制牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)，改善列車用電品質(zhì)，為列車制動(dòng)能量回收利用提供了有效方案。相比原有電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)處置制動(dòng)能量方案，本方案可以節(jié)約制動(dòng)電阻耗散部分的能量，并有效降低由于泵升電壓引起的列車高壓故障發(fā)生，有較好的優(yōu)越性。

本文所提出的制動(dòng)能量回收利用系統(tǒng)，在有效回收制動(dòng)能量與抑制牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)基礎(chǔ)上，需要使用較多的超級(jí)電容組。后續(xù)可針對(duì)列車制動(dòng)能量回收用超級(jí)電容陣列的配置策略進(jìn)行研究，降低方案中超級(jí)電容的使用數(shù)量。

超級(jí)電容回收的制動(dòng)能量還可以為應(yīng)急牽引或空調(diào)應(yīng)急工作供電，用來解決洗車線或無供電線路下低速運(yùn)行的用電問題，后續(xù)還可針對(duì)這方面進(jìn)行拓展研究。