城轨列车车载超级电容储能控制策略研究

马丽洁 廖文江 高宗余

（1.内蒙古电子信息职业技术学院 呼和浩特 010070 2.北京联合大学自动化学院 北京 100044）

1 引言

随着新能源的大力发展，在城轨领域，轨道交通环保、节能的优点已越来越受到重视，大力发展轨道公共交通已成为世界各国的共识[1-5]。

超级电容与二次电池相比具有循环寿命长、充放电为物理变化、对环境无污染、功率密度高、SOC检测容易等优点[6-9]，因此超级电容将成为未来轨道交通领域中储能元件的一个重要选择。但是它的缺点是能量密度低，故在合理的能量管理策略下设计其容量的配置是车载超级电容储能系统的一个重要研究方面。

目前国内外对此研究不多，研究方法也比较单一，只是以静态、局部的角度考虑列车的再生制动能量[10-12]。这样设计的最大特点是配置方法唯一，配置容量不好控制，造成储能设备很大的浪费，因为该方法无法实时跟踪列车运行特性。车载超级电容容量配置研究应综合考虑各种因素对制动容量选择的影响及配置方法的合理、有效、精确。为此，本文研究了城轨列车的制动能量特点以及超级电容本身特性，分析了二者之间的特性匹配关系，建立了储能系统的数学模型，提出一种基于交流侧串联车载超级电容系统间接坐标矢量控制器的控制方法，通过该控制方法可以有效地抑制线网电压波动，防止再生制动失效，节省列车运行能耗。

2 超级电容模型及城轨列车运行特性分析

城轨列车特性如图1 所示。列车制动工况与牵引工况有明显不同，牵引时恒功率区功率一定，且恒功率区范围宽，要求储能元件为能量型，制动时再生功率为尖峰状，要求储能元件为功率型。除此之外城轨列车起动、制动频繁，要求储能元件充放电快且循环寿命长。储能元件超级电容具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点。由二者特性匹配分析可知，超级电容非常适合应用于城轨交通。

图1 城轨列车牵引/制动特性曲线Fig.1 Traction/breaking characteristic of railway vehicle

典型的城轨列车运行特性如图2 所示。由图可知城轨列车运行特性具有以下特点：运行站间距短，一般1～3 km 左右；运行工况相对固定，在各站间进行牵引、巡航、惰行和制动工况的切换；站间运行时间短，一般在2～3 min 左右；牵引和制动时间在20～40 s 之间，牵引和制动功率为脉冲式。

图2 城轨列车运行特性图Fig.2 The operating characteristics of railway vehicle

3 车载交流侧串联超级电容储能系统结构

车载交流侧串联超级电容储能系统结构如图4所示。将变压器一次绕组串联在牵引逆变器与牵引电机之间，将二次绕组通过一辅助逆变器与超级电容储能装置相连接构成如图3 所示的交流侧超级电容串联方式。利用列车不同运行速度导致牵引电机产生不同扭矩进而可知超级电容充放电状态。通过控制超级电容与变压器二次绕组进行能量交换，进而控制牵引电机与超级电容的能量交换。该种方式通过交流侧的升/降压功能，可以增加牵引/再生制动功率，不仅可以达到改善列车性能的目的，而且可以改善高速区再生失效的问题。

图3 储能装置安装结构示意图（交流侧串联）Fig.3 The energy storage device installation structure schematic diagram（AC side series）

3.1 变换器模型

超级电容储能系统主要由双向DC/DC 变换器和超级电容器组构成，结合两者特性利用状态空间平均法对双向DC/DC 变换器的降压斩波器和升压斩波器分别建模，最终得到统一的控制模型[8]。

电路的参考方向如图4 所示。其中，iL为与超级电容串联的电感电流，与Isc相同；Uc为超级电容电压，Ur为串联电阻上的电压；Usc为超级电容端电压；Udc为直流侧端电压；D为占空比；L为储能电感，Csc为超级电容容量。经过推导可得

图4 双向DC/DC 变换器的拓扑结构Fig.4 Bi-directional DC/DC converter topology

（1）电流开环传递函数为

（2）电压开环传递函数为

3.2 电流闭环校正分析

电流闭环校正结构框图如图5 所示。

其中，CR为电流PI 调节器，其传递函数为

图5 电流闭环校正结构框图Fig.5 Current loop correction structure diagram

式中，Kp、Ki分别为PI 的比例增益和积分增益。经电流PI 调节器校正后的电流开环传递函数为

且Kp和Ki应满足

由此可见，该电流的响应时间仅和系统的固有参数相关，Kp与超级电容的内阻r 决定着系统的响应速度和超调量，因此可令Kp=r，根据式（5）可得Ki的值，则可将电流开环传递函数校正为一个一阶惯性环节，可使超级电容电流获得良好的稳定性、快速性。

4 车载超级电容储能控制策略

传统超级电容储能系统控制特性[6]如图 6 所示。由图可知，超级电容储能系统的电流给定是随电网电压的变化而变化，电网电压高时吸收电流，电网电压低时馈出电流，由于地面储能装置不受其质量以及体积的限制，故其容量可以做得很大，以稳定整条供电线上的电压。

图6 地面超级电容储能系统控制特性Fig.6 Control characteristic of supercapacitor energy storage system on ground

由于车载超级电容受其本身特性（能量密度低）的限制，故其能量管理应该更多考虑本车而不是整个供电段的车辆，即本车牵引时馈出电流，抑制受电弓处电压跌落，改善其加速性能；本车制动时吸收再生电流，抑制受电弓处电压泵升，防止再生失效，改善其电制动性能。基于以上分析，本文提出一种车载超级电容储能系统交流侧串接超级电容间接矢量控制策略。

图7 变换器的间接矢量控制结构图Fig.7 Control block diagram of the indirect vector of the convertor

由图可知，与传统超级电容储能系统控制[5]不同，Udc是通过对交流侧负载直接控制得到。在满足相应逻辑条件的基础上就能保证超级电容储能系统按设计的能量管理策略更精确可靠地动作。下面对控制框图中的部分内容作详细说明。

（1）运动控制（Motion Control，MC）。用于计算总的牵引力（Ft,ref，）。即

式中，at为列车加速度；at,ref为参考加速度值；使用PI 控制器来控制。

（2）矢量控制（Field Oriented Control，FOC）。用于根据实际的列车速度和牵引力计算牵引电机在d/q 轴中的定子电压。

（3）储能控制（Energy Saving Control，ESC）。主要用于吸收列车制动期间的能量及限制加速期间的线电流及对串联电容电压和电流的控制。超级电容电压随列车速度变化。超级电容储能系统计算式为

由于磨损和电损，只有一部分再生能量实现；超级电容储能与其容量相关，依赖其能量密度，即

式中，Vsc,max为超级电容额定电压；usc,ref为超级电容参考内电压；k为与磨损及电损相关的参数。

5 仿真分析

5.1 仿真参数

为了验证超级电容间接电流控制算法的有效性，利用Matlab/Simlink 搭建了单变电所单列车仿真平台，进行了仿真验证。仿真平台如图8 所示，由变电所、线路、列车以及超级电容储能系统四部分组成。表1 给出了列车参数，表2 给出了车载超级电容器参数。

图8 车载超级电容储能系统仿真模型Fig.8 The basic model of railway vehicle with supercapacitor energy storage system on-board

表1 列车参数Tab.1 Parameters of vehicle

表2 全车车载超级电容器组参数Tab.2 Parameters of on-board supercapacitor

5.2 仿真结果

图9 所示为列车速度特性曲线。

图9 列车速度特性曲线Fig.9 The speed characteristic curve of railway vehicle

图10 电网电压/电流曲线Fig.10 Current relation and voltage variation

图10 所示为电网电压/电流关系曲线。由图可知以地铁列车供电电压为1 500 V为参考；设定阈值为1 200 V 和1 800 V，当超出此限制值时超级电容投入工作。牵引时，当列车需要的电流超过限制值，超级电容储能系统释放能量，减小了线网提供的电流，抑制了受电弓处电网电压的跌落。列车巡航时，超级电容储能系统处于备用状态。制动时，当制动电流超过限制后，超级电容吸收再生制动电流，抑制了受电弓处电压的上升，防止了再生失效。

6 实验平台及实验结果

6.1 超级电容实验平台框图

基于仿真平台，在实验室搭建了一个3 kW 的超级电容实验平台，实验平台框图如图11 所示。实验平台主要包括三大部分：变电所模拟系统，列车模拟系统以及超级电容储能系统。

图11 3 kW 超级电容实验平台系统框图Fig.11 Block diagram of 3kW supercapacitor platform

变电所模拟系统由380V 交流电网经自耦调压器输出210V 交流，再经三相隔离变压器（保证列车模拟系统和变电所系统同时并网），AC210V 经过二极管不控整流得到300V 直流网。列车模拟系统由PWM 整流器实现，PWM 整流器采用LCL 滤波回馈到电网。根据列车的特性，计算出Id的指令值。当Id＞0 时，PWM 变流器工作在整流状态，列车工作在制动回馈工况；当Id＜0 时，PWM 变流器工作在逆变状态，而列车工作在牵引工况或惰行工况。模拟的列车牵引特性曲线如图12 所示。

图12 列车模拟系统的牵引制动特性曲线Fig.12 Characteristic curve of the vehicle simulation

储能系统由超级电容器和双向DC-DC 电路组成，可以实现Buck 充电和Boost 放电。超级电容器选用maxwell 的产品，额定电压320 V，容值1.5 F，内阻2.75 Ω。实验平台实物如图13 所示。

图13 3kW 实验平台Fig.13 Prototype of 3kW supercapacitor platform

6.2 实验结果分析

实验对比投入和未投入超级电容器两种情况下各母线电压和线路电流的波形，如图14 所示。

从图14a 可以看出，未投入超级电容器的情况下，列车牵引时直流母线电压由 300 V 跌落到210 V，严重影响了列车牵引特性；列车制动时，直流电压泵升，超过安全泄放电压400 V，泄放保护，电压波动190 V。图14b 所示为投入超级电容器且采用间接电流控制方法的电压和电流波形，由图可知通过对电网电流的限制及电压动作值的设定，列车牵引时直流母线电压仅跌落到260 V，制动时电压只泵升到320 V，稳压作用明显，可以防止再生失效。

图14 直流电压和线路电流波形Fig.14 Line voltage and current waveforms

图15 所示为无超级电容器时列车在运行时受电弓处电压的变化情况。由图可知，在列车牵引时由于线路阻抗的原因，电压从 1 500 V 跌落到950 V，而当列车制动时受电弓处电压从1 500 V 泵升到1 800 V，波动范围为850 V。

图15 无超级电容器的受电弓处电压Fig.15 The pantogph voltge without EDLC

图16 采用超级电容器时受电弓电压Fig.16 The pantogph voltge with EDLC

图16 所示为采用超级电容储能系统时列车在牵引制动运行时的实验结果。图16a 所示为受电弓处电压，对比图15 可以看出，采用串级超级电容储能系统后，可以明显地减小受电弓处电压的波动。在牵引时，受电弓处电压 VDC2稳定在指令值1 200 V；制动时，直流电压 VDC2稳定在指令值1 600 V，波动范围为400 V，少于850 V。

图16b 所示为列车所需电流iM与变电所提供电流iS的和值理想电流iDC的波形，图16c 所示为双向DC-DC 变换器的端口电流i1的波形。要使直流电压VDC2稳定必须保证电流iDC=i1。对比图16b 和图16c 可以看出，通过前面所提出的控制方法，可以实现iDC=i1，即保证直流电压VDC2的稳定。

7 结论

本文提出一种新的城轨列车车载能源存储配置方法，系统采用EDLC 与其输入输出辅助逆变器相结合，以串联的方式与牵引电机相连，通过仿真和实验加以论证。在不增加电机电流及其他相关辅助设备下，这一配置方式能增加牵引和再生制动功率，能够更合理地利用再生制动能量并有效防止再生失效。

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