摘要：針對機車啟動、制動對直流母線電壓的影響，提出壹種基於超級電容的儲能裝置，該裝置通過雙向DC-DC 變換器為列車提供牽引或者吸收再生制動過程的暫態能量，了超級電容儲能系統充放電控制策略，搭建了壹個 直流電氣化鐵路仿真平臺，仿真結果驗證了超級電容儲能系統能夠維持直流母線電壓穩定，有效地防止城軌道交通供電系統中電力負荷波動和避免再生制動能量的浪費。 關鍵詞：再生制動能量；超級電容；儲能系統；雙向直流變換器 0引言 隨著城人口的膨脹，城軌道交通顯得越來越重要。在城軌道交通中，直-交變壓變頻的傳動方式已經普遍采用，再生制動成為列車常用制動時的主要制動方式，制動時可以實現將機械能轉化為電能，使得壹部分能量能夠回饋給電網，而列車在運行過程中，由於站間距較短，列車啟動、制動頻繁，從能量互換的角度看，制動能量相當可觀[1]。由於軌道交通存在線路阻抗，列車加速，啟動電流較大，導致牽引網電壓下降；制動時，再生制動能量會反饋牽引網，使電壓擡升，造成直流母線電壓波動，為防止再生制動失效，這些再生能量除了按壹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熱的方式消耗吸收掉，這必將帶來和站臺內的溫升問題，同時也會增大站內環境控制裝置的負擔，造成大量的能源浪費，並使地鐵的建設費用和運行費用增加。為了解決上述問題，可以在地鐵直流供電系統中加入儲能裝置，它在機車再生制動時吸收能量，避免能量浪費；在機車啟動或加速時提供部分功率支持，減少牽引網電壓波動。 目前，制動能量吸收方案主要有電阻耗能型、蓄電池儲能型、電容儲能型、飛輪儲能型和超導儲能型等 5 種[1，2]。電阻耗能只能將電能轉化為熱能排掉，造成能源浪費；蓄電池儲能系統的電池使用壽命不夠長，大量使用電池對環境造成汙染；飛輪儲能質量很大，摩擦耗能問題嚴重，飛輪工作壽命短；超導儲能裝置的單位體積儲存的能量較低，在實用技術上有壹定的困難。而超級電容被廣泛地應用於儲能裝置中，它具有快速充放電、低汙染、高效率和維護費用低[3，7]等特點。 文獻[4]研究了超級電容器的原理與特性，主要對其建模以及充放電實驗進行研究，文獻[5，6]研究了超級電容器儲能系統的設計方案，主要對雙向DC-DC 變換器的工作原理進行，本文根據超級電容的特點，研究利用超級電容器吸收多余的再生制動能量，避免再生制動能量對電網的沖擊。采用牽引直流側電壓作為能量控制策略依據，詳細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、電流內環的控制方法，搭建了壹個 直流電氣化鐵路等效模型仿真平臺，並通過仿真驗證了控制方法的可行性和有效性。 1超級電容儲能系統 1.1電路結構 城軌道車輛再生制動時，牽引網電壓升高，在啟動或者加速時牽引網電壓降低，通過控制並接在直流側的雙向 DC-DC 變換器，對超級電容充電放電，可以實現&lduo;削峰填谷&rduo;、平衡直流側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電網、通訊等設備的影響，目前城軌道交通牽引供電系統中的整流機組廣泛采用 24 脈動整流電路給機車供電。 1.2 24脈動整流電路 24 脈動整流機組是由 2 套 12 脈動整流機組構成，當供給 2 個 12 脈動整流器的整流變壓器高壓電網側並聯的繞組分別采用?7.5 外延三角形連接時，2 套整流器並聯運行即可構成等效 24 脈動整流器，圖 1 是 24 脈動整流電路直流側電壓輸出波形，可以看出壹個周期有 24 個波頭，電壓脈動較小，比較平穩。 圖 2 是 24 脈動整流電路網側 a 相電流諧波，從圖 2 中可以看出，網側電流接近正弦波，諧波非常小，較明顯的為第 23 次和第 25 次諧波，與文獻[8]中 24 脈動整流電路的電網側合成電流僅含有 24n?1（n 為正整數）次諧波相吻合，總畸變率僅為 1.25%。 1.3雙向 DC-DC變換器 雙向 DC-DC 變換器在功能上相當於 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、控制簡單，廣泛用於直流母線變化範圍大且需進行直流變換處理的中小功率應用場合。 在超級電容儲能裝置中，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：列車牽引或加速時，電機需要較大功率，變換器等效為升壓斬波器，電流流向直流側，給直流母線充電，如圖 3 a 所示；列車惰行時，變換器停止工作，處於備用保持狀態；列車制動或減速時，牽引電機向直流電網反饋能量，使線網電壓擡高，超級電容器吸收回饋到直流母線上的能量，此時雙向DC-DC 變換器動作，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 種狀態切換，既可使直流電網電壓避免大範圍波動，改善供電質量，又將列車制動能量循環利用，節約電能。 1.4儲能裝置控制策略 圖 4 是儲能裝置的控制流程圖，控制的主要目的是減小電壓波動，同時還要限制充放電電流，避免過大電流損壞器件。另壹方面要將超級電容儲能量控制在壹個合理的範圍，既能提供壹定功率輸出，也可留有壹定的吸收能量空間。 控制系統采用電壓電流的雙閉環串級控制結構，外環是電壓環，內環是電流環。列車的運行狀態由牽引、制動特性曲線唯壹決定，列車的運行速度與電機電流、電壓壹壹對應，通過列車速度即可確定直流電網電壓參考值。控制原理是電壓給定與電壓反饋進行比較，得到的電壓誤差經電壓調節器輸出作為電流給定 IL*，IL*與電流反饋 IL進行比較，得到的電流誤差經過電流調節器，通過 PWM 控制得到驅動雙向 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）當機車牽引或者加速時，它是由減輕了牽引變電所負荷時的穩定狀態下的直流電壓值決定的。 （2）當機車再生制動時，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。 由於上述 2 個原因，直流參考電壓 Uref必須在充電和放電時選擇不同的值。直流參考電壓是由異步電機的實際轉速和產生的轉矩決定的。當其產生的轉矩和轉速增加時，機車處於牽引或者加速運行模式，然後給出放電時的直流參考電壓 Uref；另壹方面，在其運行再生制動模式時，轉速和轉矩減小，就可以給出充電狀態下的參考電壓 Uref。此外，也會給出超級電容器的充電和放電控制下的轉矩偏差信息。在轉矩突然改變之時就能控制超級電容器的充電和放電，直流參考電壓 Uref的值會隨著充電或放電的不同而改變。綜上可知，當機車牽引時參考電壓 Uref= ，即當牽引網電壓低於 時，超級電容開始放電；當機車再生制動時參考電壓 Uref= ，即當牽引網電壓高於 時，超級電容開始吸收再生制動能量。另外還要估計檢測到的直流電壓 Udc與參考電壓 Uref的誤差，而超級電容器參考電流 IL*是通過式（1）求得。 式中，Pgain和 Igain分別是任意常數，通過這種方式，升壓和降壓變換器可以分不同情況恰當地控制。 2 MATLAB仿真 2.1仿真模型的建立 使用 MATLAB/Simulink 建立含超級電容器的儲能裝置的 直流電氣仿真模型[9，10]。以磁場定向矢量控制的交流傳動系統能夠提供最佳啟動轉矩，使列車快速、平穩啟動；系統有很高的速度精度和很寬的調整範圍，能夠保證列車在各級速度穩定運行；有理想的電氣制動功能，使列車能夠可靠地制動、準確地停車，同時向電網回饋電能，牽引傳動系統逆變器采用基於 SPWM 兩電平電壓型逆變器供電的矢量控制策略，通過控制電機的轉速來模擬城軌道交通列車啟動、惰行和制動工況。圖 5 是系統仿電路結構圖。 2.2仿真參數 牽引網電壓參數：牽引網 Udc= ；線路參數 R = 0.01 ，L1= 0.2 mH，C1= 0. F。 超級電容參數：電壓範圍 1 ～ ；超級電容 C2= 5 F，RES= 0.06 、REP= 60 ，最大放電電流 A，初始電壓 。 雙向 DC-DC 變換器參數：濾波電容 C1=1 ?F，儲能電感 L = 4.17 mH。 牽引電機的參數如表 1 所示。 2.3仿真結果 對文中提出以控制牽引網電壓波動為目標的超級電容儲能裝置控制策略進行仿真驗證。圖 6 所示為模擬列車啟動、巡航和制動過程中相應的電機速度、定子 a 相電流和電磁轉矩變化圖。列車在0.6 s 內加速至 r/min，然後勻速運行，在 1 s 時開始減速，經過 0.6 s 減速至 0。 圖 7 是超級電容儲能裝置投入前後牽引網電壓對比，U1是超級電容投入前牽引網的電壓，U2是超級電容投入時牽引網電壓，由圖對比可知當機車牽引時，超級電容儲能裝置釋放能量，減小牽引變電所供給的線網電流，降低線路上的阻抗損耗，有效抑制牽引網電壓的跌落；當機車再生制動時，超級電容儲能裝置吸收線路上的再生制動能量，即節約了能源，又抑制了牽引網電壓的上升。 仿真結果驗證了超級電容儲能裝置應用在城軌道交通中起到&lduo;削峰填谷&rduo;的作用，較好地改善牽引網電壓，而采用的電壓電流的雙閉環控制策略也是可行的。 3結論 本文建立了 24 脈動供電系統模型和矢量控制的列車牽引傳動系統聯合仿真模型，仿真結果表明，24 脈動供電性能良好，大大降低了諧波含量，電壓脈動較小。然後提出了超級電容儲能裝置的組成及設計方法，對超級電容儲能裝置在城軌道交通中抑制牽引網電壓波動、防止機車再生失效，提高直流供電網的穩定性進行了研究，提出了對超級電容儲能裝置的控制策略。通過仿真驗證了超級電容儲能裝置在軌道交通中吸收再生制動能量，抑制牽引網電壓波動，提高供電網穩定性的重要作用。 目前仿真是基於單列車四電機，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行時制動能量交換問題，進而優化超級電容的容量配置及充放電控制策略。 參考文獻： [1] 王彥崢，蘇鵬程.城軌道交通再生電能回收技術方案的研究[J].電氣化鐵道，，（2）：37-40. [2] 曾建軍，林知明，張建德.地鐵制動能量及再生技術研究[J].城軌道交通，，（6）：37-40. [3] 桂長青.新型儲能元件超級電容[J].船電技術，，1（9）：23-26. [4] 鄧隆陽，黃海燕.超級電容性能試驗與建模研究[J].車用發動機，，（1）：28-31. [5] 聶晶鑫，郭育華.超級電容儲能裝置在軌道交通中的應用[J].電氣化鐵道，，（2）：48-50. [6] 武利斌，譚永東.超級電容器儲能裝置在城軌道交通中的應用[J].科技信息，，（30）：9-10. [7] 張慧研，韋統展，齊智平.超級電容器儲能裝置研究[J].電網技術，，30（8）：92-96. [8] 劉鈺山，葛寶明，畢大強.基於多相整流的船舶電力推進系統諧波抑制[J].交通大學學報，35（2）：99-. [9] Nomura, M.; Tadano, Y.; Yada, T.; etc. &lduo;Perfornce of inverter with electrical double layer capacitor for vector controlled induction motor drives&rduo;, Industry Applications Conference, .Fourtieth IAS Annual Meeting.Conference Record of the , - ol.2. [10] 何曉光，張逸成.軌道交通超級電容能力回收控制系統設計[J].電氣自動化，，（5）：73-75. 文章來源： 《電氣化鐵道》原作者：張秋瑞 葛寶明 畢大強感覺還是找個專業的問問好的 或者到硬之城上面找找有沒有這個型號 把資料弄下來慢慢研究研究
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