曹成琦，王欣，秦斌，張凱，梁楓

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲 412007）

車載超級電容儲能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

曹成琦，王欣，秦斌，張凱，梁楓

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲 412007）

地鐵站間距離較短，機車頻繁的啟動和制動，造成直流牽引網(wǎng)波動過大和產(chǎn)生大量再生制動能量。針對這一問題，采用了一種雙向DC-DC控制的超級電容儲能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，從而穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)電壓和有效利用再生制動能量。制定了雙向DC-DC變換器的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙PI控制策略，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)采用空間矢量控制策略。搭建了車載超級電容儲能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)的仿真模型，仿真結果驗證了超級電容儲能系統(tǒng)吸收再生制動能量，有效地抑制牽引網(wǎng)電壓，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)能夠消耗一部分升高的牽引網(wǎng)電壓，減少超級電容體積。

城市軌道交通；超級電容；雙向DC-DC變換器；逆變回饋

0 引言

隨著我國城市人口的急劇增長，導致城市的交通問題也日益嚴重。因此，需要發(fā)展運量大、污染少、可靠性強、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點的城市軌道交通[1]。在未來幾年，我國城軌的建設即將步入了高速發(fā)展時期。由于城市軌道交通列車啟動和制動頻繁、速度變化較大、站間距較短，列車啟動或者加速時，會造成直流牽引網(wǎng)電壓的降低；列車再生制動時會產(chǎn)生大量再生制動能量，產(chǎn)生的能量會回到直流牽引網(wǎng)，從而造成直流牽引網(wǎng)電壓的抬升，當直流牽引網(wǎng)電壓嚴重過高時，會導致再生制動失效，從而整個軌道交通網(wǎng)絡的供電都會受到影響，列車再生制動的能量約占總耗能的20%-60%[2]。為解決以上問題，國內(nèi)主要采取電阻能耗型處理再生制動能量，大量的再生制動能量沒有被有效利用而是被電阻以發(fā)熱的形式消耗掉，電阻能耗型消耗能量產(chǎn)生的熱能會使隧道和站臺的溫度大幅上升，從而導致對站內(nèi)的空調(diào)和通風系統(tǒng)要求的提高，這樣不僅浪費了電能，還會增加城市軌道交通的運營成本，所以軌道交通急需新型的儲能裝置來解決這一系列的問題，使再生制動能量得到很好的回收利用，達到節(jié)能的目的[3]。

1 超級電容儲能系統(tǒng)

1.1 超級電容儲能系統(tǒng)工作原理

超級電容儲能型作為一種新型的儲能系統(tǒng)，具有功率密度高、充放電速度快、效率高、耐溫性能好、維護費用低、清潔能源等優(yōu)點[4]。超級電容作為一種新型的儲能裝置廣泛應用于各個領域。超級電容儲能型再生制動能量吸收裝置原理圖如圖1所示，由雙向DC-DC變換器和超級電容組構成。當列車在啟動階段時，會造成牽引網(wǎng)電壓的下降，超級電容放電來補償下降的牽引網(wǎng)電壓；當列車在再生制動階段時，會造成牽引網(wǎng)電壓的抬升，超級電容充電吸收再生制動產(chǎn)生的能量并儲存起來。超級電容儲能型裝置的主要作用是能夠抑制牽引網(wǎng)的電壓的波動，防止牽引網(wǎng)電壓過高或者過低，防止再生制動失效和吸收再生制動產(chǎn)生的能量。

圖1 超級電容儲能結構圖Fig.1 Super capacitor energy storage chart

1.2 雙向DC-DC變換器

雙向DC-DC變換器對輸入和輸出電壓的極性并不影響，只改變電壓的大小。根據(jù)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖來控制IGBT開關管的通斷，當一個IGBT的開關管導通，另一個IGBT的開關管關斷，關斷的IGBT中反向二極管續(xù)流進而構成回路。雙向DC-DC變換器通過IGBT的通斷和二極管的續(xù)流來實現(xiàn)能量的雙向傳輸。雙向DC-DC變換器的種類十分繁多，主要分為隔離式變換器和非隔離式變換器，隔離式變換器中有變壓器，則隔離式變換器的變壓器會使超級電容儲能系統(tǒng)的成本和損耗大大增加。因為非隔離式的雙向DC-DC變換器的結構簡單、控制方便、成本比較低廉、輸出的電流紋波小[5]，所以非隔離式的雙向DC-DC變換器廣泛應用儲能系統(tǒng)中。非隔離式雙向DC-DC變換器在功能上實際上是Buck電路和Boost電路的組合。如圖2所示為非隔離式的雙向DC-DC變換器的拓撲結構。

圖2 雙向DC-DC變換器電路Fig.2 Bidirectional DC-DC converter circuit

1.3 超級電容儲能系統(tǒng)控制策略

雙向DC-DC變換器控制超級電容充放電是一個二階電路，兩個變量分別是電容電壓和電感電流。所以論文采用的控制策略是直流牽引網(wǎng)電壓外環(huán)、電感電流電流內(nèi)環(huán)的雙PI控制。

圖3為雙向DC-DC變換器的控制框圖。圖中直流牽引網(wǎng)電壓Udc與直流牽引網(wǎng)電壓給定值Uref的差值經(jīng)過PI電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到電感電流的給定值，與實際電感電流值的差值通過PI電流調(diào)節(jié)器得到的輸出，最后經(jīng)過脈寬調(diào)制得到觸發(fā)開關器件的控制信號PWM值。

圖3 雙向DC-DC變換器的控制框圖Fig. 3 Control block diagram of bidirectional DC-DC converter

2 逆變回饋系統(tǒng)

2.1 逆變回饋系統(tǒng)工作原理

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置如圖4所示。當列車再生制動時，產(chǎn)生的再生制動能量會導致牽引網(wǎng)電壓抬升，這時逆變回饋型裝置把多余的能量回饋到交流電網(wǎng)中[6]。基本工作原理為：當列車再生制動時，產(chǎn)生的電能會使牽引網(wǎng)電壓超過預設值，這時候三相逆變器開始工作，將再生制動產(chǎn)生的能量由直流變?yōu)榻涣骰仞伒浇涣麟娋W(wǎng)，回饋的電能能夠用于地鐵照明系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)[7]。

圖4 逆變回饋型再生制動能量吸收裝置Fig. 4 Regenerative braking energy absorption device

2.2 逆變回饋系統(tǒng)控制策略

圖5 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制原理圖Fig. 5 Control principle of grid connected inverter system

3 MATLAB仿真

3.1 仿真模型的建立

城市軌道交通超級電容儲能系統(tǒng)仿真模型的主要參數(shù)，直流牽引網(wǎng)：電壓Udc=1500V，R1=0.2Ω，L1=0.012H，C1=0.05F；超級電容電壓Uscmin=500V，Uscmax=1000V，儲能容量C=121.9F，內(nèi)阻RES=5.6mΩ，儲能電感L2=56mH，濾波電容C2=74.4μF，開關管開關頻率5000Hz；交流電網(wǎng)電壓380V。超級電容儲能模塊作用為釋放儲能的電能和吸收抬升的直流牽引網(wǎng)電壓，雙向DC-DC模塊主要作用為控制超級電容進行充放電，機車牽引傳動模塊作用主要為模擬列車運行，并網(wǎng)逆變模塊作用主要為當列車再生制動時，超級電容儲能系統(tǒng)吸收再生制動能量，當快要達到額定電壓時，這時啟動逆變回饋裝置，把多余的再生制動能量回饋到交流電網(wǎng)供照明系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)使用。

3.2 仿真結果

地鐵牽引供電系統(tǒng)中沒有超級電容儲能系統(tǒng)時，牽引網(wǎng)的電壓如圖6所示。在沒有超級電容儲能系統(tǒng)的情況下，地鐵的啟動和制動會導致牽引網(wǎng)電壓的造成波動較大。

圖6 無超級電容的牽引網(wǎng)電壓Fig.6 Traction network voltage without super capacitor

圖7所示是地鐵牽引供電系統(tǒng)加入了超級電容儲能系統(tǒng)。在有超級電容的情況下，地鐵的啟動和制動對牽引網(wǎng)電壓能夠進行很好補償和吸收。

比較圖6和圖7中電壓波形可以看出，無超級電容時，牽引網(wǎng)電壓波動很大；有超級電容時，牽引網(wǎng)電壓在1500V上下波動。驗證了超級電容能夠有效的控制牽引網(wǎng)電壓的波動和對雙向DC-DC變換器的控制策略是正確的。

圖7 有超級電容的牽引網(wǎng)電壓Fig.7 Traction network voltage with super capacitor

圖8為逆變器交流側的電壓波形，逆變器把升高的直流牽引網(wǎng)電壓逆變?yōu)榻涣鳎请妷哼€需經(jīng)過LCL濾波，得到的電壓已經(jīng)近似正弦波，最后經(jīng)過變壓器變壓后的電壓波形如圖9所示，電壓完全變成了正弦波，而且符合國家照明系統(tǒng)用電標準。表明通過超級電容儲能系統(tǒng)和逆變回饋裝置進行協(xié)調(diào)控制，能夠分擔一部分升高的牽引網(wǎng)電壓，從而減少車載超級電容的體積，延長車載超級電容的使用壽命。

圖8 逆變器交流側三相電壓波形Fig.8 Inverter AC side three-phase voltage waveform

圖10是超級電容兩端的電壓，當牽引網(wǎng)電壓跌落時，超級電容進行放電補償?shù)涞碾妷?；當牽引網(wǎng)電壓升高時，超級電容進行充電。列車在惰行狀態(tài)下時，超級電容不進行工作。

圖9 LCL濾波后的三相電壓波形Fig.9 Three phase voltage waveform after LCL filtering

圖10 超級電容兩端的電壓Fig. 10 Voltage at both ends of the super capacitor

5 結語

本文主要分析了超級電容儲能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)的工作原理，設計了雙向DC-DC變換器的直流牽引網(wǎng)電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)控制策略和逆變并網(wǎng)的空間矢量控制策略。在matlab/simulink中搭建了超級電容儲能系統(tǒng)和逆變并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，模擬列車的實際運行狀況，仿真結果驗證超級電容儲能系統(tǒng)能夠穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)電壓和控制策略的可行性，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)能夠逆變一部分升高的牽引網(wǎng)電壓，減少車載超級電容的體積。

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Coordinated Control of Vehicle Mounted Super Capacitor Energy Storage System and Inverter Feedback System

CAO Cheng-qi, WANG Xin, QIN Bin, ZHANG Kai, LIANG Feng
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

The distance between the subway station is relatively close, and the frequent starting and braking of the locomotive cause the excessive fl uctuation of DC traction network and a large amount of regenerative braking energy. In order to solve this problem, a bidirectional DC-DC controlled super capacitor energy storage system and an inverter feedback system are used to coordinate the control of the DC traction network voltage and the utilization of regenerative braking energy. The double PI control strategy of the voltage outer loop and current inner loop of the bidirectional DC-DC converter is established, and the space vector control strategy is adopted in the inverter grid connected system. Build a vehicle simulation model of super capacitor energy storage system and feedback system, the simulation results verify the super capacitor energy storage system absorbs the regenerative braking energy, effectively restrain the traction network voltage inverter system can consume part of the increased traction network voltage, reduce the volume of super capacitor.

Urban Rail Transit; Ultra-capacitors; Bi-directional DC-DC converters; Inverse feedback

曹成琦，王欣，秦斌，等.車載超級電容儲能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（10）：10-14.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.10.002

: CAO Cheng-qi, WANG Xin, QIN Bin, et al. Coordinated Control of Vehicle Mounted Super Capacitor Energy Storage System and Inverter Feedback System[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10)： 10-14.

國家自然科學基金（61074067，21106036），湖南省科技計劃重點項目（2014FJ2018）

曹成琦（1990-），男，湖南工業(yè)大學碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化；王欣（1971-），女，博士，教授，主要研究方向：復雜工業(yè)過程控制、能量管理、機器學習；秦斌（1963-），男，博士，教授，主要研究方向：復雜工業(yè)化過程建模與優(yōu)化控制；張凱（1990-），男 ，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子技術；梁楓（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：復雜電氣系統(tǒng)信息集成和協(xié)調(diào)控制