超级电容在地铁制动能量回收中的应用研究

张秋瑞，葛宝明，毕大强

0 引言

随着城市人口的膨胀，城市轨道交通显得越来越重要。在城市轨道交通中，直-交变压变频的传动方式已经普遍采用，再生制动成为列车常用制动时的主要制动方式，制动时可以实现将机械能转化为电能，使得一部分能量能够回馈给电网，而列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，从能量互换的角度看，制动能量相当可观[1]。由于轨道交通存在线路阻抗，列车加速，启动电流较大，导致牵引网电压下降；制动时，再生制动能量会反馈牵引网，使电压抬升，造成直流母线电压波动，为防止再生制动失效，这些再生能量除了按一定比例被其他相邻车吸收利用外，剩余部分主要被列车或者线路上的吸收电阻以发热的方式消耗吸收掉，这必将带来隧道和站台内的温升问题，同时也会增大站内环境控制装置的负担，造成大量的能源浪费，并使地铁的建设费用和运行费用增加。为了解决上述问题，可以在地铁直流供电系统中加入储能装置，它在机车再生制动时吸收能量，避免能量浪费；在机车启动或加速时提供部分功率支持，减少牵引网电压波动。

目前，制动能量吸收方案主要有电阻耗能型、蓄电池储能型、电容储能型、飞轮储能型和超导储能型等5种[1，2]。电阻耗能只能将电能转化为热能排掉，造成能源浪费；蓄电池储能系统的电池使用寿命不够长，大量使用电池对环境造成污染；飞轮储能质量很大，摩擦耗能问题严重，飞轮工作寿命短；超导储能装置的单位体积储存的能量较低，在实用技术上有一定的困难。而超级电容被广泛地应用于储能装置中，它具有快速充放电、低污染、高效率和维护费用低[3，7]等特点。

文献[4]研究了超级电容器的原理与特性，主要对其建模以及充放电实验进行研究，文献[5，6]研究了超级电容器储能系统的设计方案，主要对双向DC-DC变换器的工作原理进行分析，本文根据超级电容的特点，研究利用超级电容器吸收多余的再生制动能量，避免再生制动能量对电网的冲击。采用牵引直流侧电压作为能量控制策略依据，详细介绍了参考电压的给定方法，提出双向DC-DC变换器的电压外环、电流内环的控制方法，搭建了一个750 V直流电气化铁路等效模型仿真平台，并通过仿真验证了控制方法的可行性和有效性。

1 超级电容储能系统

1.1 电路结构

城市轨道车辆再生制动时，牵引网电压升高，在启动或者加速时牵引网电压降低，通过控制并接在直流侧的双向DC-DC变换器，对超级电容充电放电，可以实现“削峰填谷”、平衡直流侧电压和能量回收再利用的作用。为了改善整流装置的高次谐波对电网、通讯等设备的影响，目前城市轨道交通牵引供电系统中的整流机组广泛采用24脉动整流电路给机车供电。

1.2 24脉动整流电路

24脉动整流机组是由2套12脉动整流机组构成，当供给2个12脉动整流器的整流变压器高压电网侧并联的绕组分别采用±7.5°外延三角形连接时，2套整流器并联运行即可构成等效24脉动整流器，图1是24脉动整流电路直流侧电压输出波形，可以看出一个周期有24个波头，电压脉动较小，比较平稳。

图1 24脉动整流电路直流侧电压输出波形图

图2是24脉动整流电路网侧a相电流谐波分析，从图2中可以看出，网侧电流接近正弦波，谐波非常小，较明显的为第23次和第25次谐波，与文献[8]中分析24脉动整流电路的电网侧合成电流仅含有24n±1（n为正整数）次谐波相吻合，总畸变率仅为1.25%。

图2 24脉动整流电路网侧电流波形频谱图

1.3 双向DC-DC变换器

双向DC-DC变换器在功能上相当于Boost变换器和Buck变换器的组合，可以分为隔离式和非隔离式2种，其中，非隔离式器件少、效率高、控制简单，广泛用于直流母线变化范围大且需进行直流变换处理的中小功率应用场合。

在超级电容储能装置中，通常选择非隔离式变换器。图3是双向DC-DC变换器主要工作状态：列车牵引或加速时，电机需要较大功率，变换器等效为升压斩波器，电流流向直流侧，给直流母线充电，如图3 a所示；列车惰行时，变换器停止工作，处于备用保持状态；列车制动或减速时，牵引电机向直流电网反馈能量，使线网电压抬高，超级电容器吸收回馈到直流母线上的能量，此时双向DC-DC变换器动作，等效为降压斩波器，从直流母线吸收能量，如图3 b所示。通过以上3种状态切换，既可使直流电网电压避免大范围波动，改善供电质量，又将列车制动能量循环利用，节约电能。

图3 双向DC-DC变换器示意图

1.4 储能装置控制策略

图4是储能装置的控制流程图，控制的主要目的是减小电压波动，同时还要限制充放电电流，避免过大电流损坏器件。另一方面要将超级电容储能量控制在一个合理的范围，既能提供一定功率输出，也可留有一定的吸收能量空间。

图4 双向DC-DC变换器控制框图

控制系统采用电压电流的双闭环串级控制结构，外环是电压环，内环是电流环。列车的运行状态由牵引、制动特性曲线唯一决定，列车的运行速度与电机电流、电压一一对应，通过列车速度即可确定直流电网电压参考值。控制原理是电压给定与电压反馈进行比较，得到的电压误差经电压调节器输出作为电流给定IL*，IL*与电流反馈IL进行比较，得到的电流误差经过电流调节器，通过PWM控制得到驱动双向DC-DC变换器IGBT的占空比。

本文给出了直流参考电压Uref，为了确定直流参考电压Uref必须遵循以下步骤：

（1）当机车牵引或者加速时，它是由减轻了牵引变电所负荷时的稳定状态下的直流电压值决定的。

（2）当机车再生制动时，它是由电流从牵引变电所流向逆变器还是从逆变器流向牵引变电所决定的，即电流的方向。

由于上述2个原因，直流参考电压Uref必须在充电和放电时选择不同的值。直流参考电压是由异步电机的实际转速和产生的转矩决定的。当其产生的转矩和转速增加时，机车处于牵引或者加速运行模式，然后给出放电时的直流参考电压Uref；另一方面，在其运行再生制动模式时，转速和转矩减小，就可以给出充电状态下的参考电压Uref。此外，也会给出超级电容器的充电和放电控制下的转矩偏差信息。在转矩突然改变之时就能控制超级电容器的充电和放电，直流参考电压Uref的值会随着充电或放电的不同而改变。综上可知，当机车牵引时参考电压Uref= 740 V，即当牵引网电压低于740 V时，超级电容开始放电；当机车再生制动时参考电压Uref= 770 V，即当牵引网电压高于770 V时，超级电容开始吸收再生制动能量。另外还要估计检测到的直流电压Udc与参考电压Uref的误差，而超级电容器参考电流IL*是通过式（1）求得。

式中，Pgain和Igain分别是任意常数，通过这种方式，升压和降压变换器可以分不同情况恰当地控制。

2 MATLAB仿真

2.1 仿真模型的建立

使用MATLAB/Simulink建立含超级电容器的储能装置的750 V直流电气仿真模型[9，10]。以磁场定向矢量控制的交流传动系统能够提供最佳启动转矩，使列车快速、平稳启动；系统有很高的速度精度和很宽的调整范围，能够保证列车在各级速度稳定运行；有理想的电气制动功能，使列车能够可靠地制动、准确地停车，同时向电网回馈电能，牵引传动系统逆变器采用基于 SVPWM 两电平电压型逆变器供电的矢量控制策略，通过控制电机的转速来模拟城市轨道交通列车启动、惰行和制动工况。图5是系统仿真主电路结构图。

图5 主电路结构图

2.2 仿真参数

牵引网电压参数：牵引网Udc= 750 V；线路参数R= 0.01 Ω，L1= 0.2 mH，C1= 0.124 F。

超级电容参数：电压范围1 200～400 V；超级电容C2= 5 F，RES= 0.06 Ω、REP= 60 000 Ω，最大放电电流500 A，初始电压400 V。

双向 DC-DC变换器参数：滤波电容C1=1 000 μF，储能电感L= 4.17 mH。

牵引电机的参数如表1所示。

2.3 仿真结果

对文中提出以控制牵引网电压波动为目标的超级电容储能装置控制策略进行仿真验证。图6所示为模拟列车启动、巡航和制动过程中相应的电机速度、定子 a相电流和电磁转矩变化图。列车在0.6 s内加速至500 r/min，然后匀速运行，在1 s时开始减速，经过0.6 s减速至0。

表1 仿真平台牵引电机参数表

图6 模拟列车基本运行曲线图

图 7是超级电容储能装置投入前后牵引网电压对比，U1是超级电容投入前牵引网的电压，U2是超级电容投入时牵引网电压，由图对比可知当机车牵引时，超级电容储能装置释放能量，减小牵引变电所供给的线网电流，降低线路上的阻抗损耗，有效抑制牵引网电压的跌落；当机车再生制动时，超级电容储能装置吸收线路上的再生制动能量，即节约了能源，又抑制了牵引网电压的上升。

图7 超级电容器组投入使用前后牵引电网电压曲线图

仿真结果验证了超级电容储能装置应用在城市轨道交通中起到“削峰填谷”的作用，较好地改善牵引网电压，而采用的电压电流的双闭环控制策略也是可行的。

3 结论

本文建立了24脉动供电系统模型和矢量控制的列车牵引传动系统联合仿真模型，仿真结果表明，24脉动供电性能良好，大大降低了谐波含量，电压脉动较小。然后提出了超级电容储能装置的组成及设计方法，对超级电容储能装置在城市轨道交通中抑制牵引网电压波动、防止机车再生失效，提高直流供电网的稳定性进行了研究，提出了对超级电容储能装置的控制策略。通过仿真验证了超级电容储能装置在轨道交通中吸收再生制动能量，抑制牵引网电压波动，提高供电网稳定性的重要作用。

目前仿真是基于单列车四电机，单变电所为例，做了初步的讨论，在将来研究中还要充分考虑多列车运行时制动能量交换问题，进而优化超级电容的容量配置及充放电控制策略。

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