2MW城轨交通再生制动能量存储装置设计与实现

陈裕楠，童 翔，金雪丰



2MW城轨交通再生制动能量存储装置设计与实现

陈裕楠，童 翔，金雪丰

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

地铁列车在制动的过程中，再生制动能量通过机车变频装置回馈到直流电网，致使电压升高，由于站间距离短，列车启动制动频繁，该部分制动能量非常可观，调查显示，这部分能量一部分被相邻的列车按一定的比例吸收，其它部分被电阻吸收以发热的形式向四周散发，不仅造成了隧道内的温升，同时造成了能量的浪费。针对以上问题，笔者自行设计了一套基于超级电容的2MW再生能储装置，将列车制动的能量吸收并储存起来，在直流网压过低时，将能量释放到电网，保证了直流电网电压的稳定，同时降低了能耗和成本。笔者通过计算对主要的元器件进行选型，并根据型号搭建储能装置的Buck—Boost电路模型进行仿真计算储能装置在充放电时的电压电流波形，分析波形，基本达到了预期的设计目的。

再生制动 2MW储能装置 Buck-Boost电路

1 系统方案设计系统

1.1系统组成

并联安装于城轨车辆直流供电系统正负极之间，由直流断路器柜、正极柜、直流变换柜(1#—4#)、接触器柜和超级电容柜(1#—5#)组成，如图1所示。

直流断路器柜：主要将正极母线与系统进行接通和分断，并进行主回路过流和过压保护。柜内配置金属氧化物避雷器（YH1）、直流快速断路器（HSCB）和分流器(FL1)及其他辅助元件；其中金属氧化物避雷器主要是防止系统进线端过压和雷电冲击，直流快速断路器主要对正极回路进行接通、分断和过流保护。

联络柜：主要完成其他柜体间的信号联络、系统与其他系统通信以及系统充放电主令控制。柜内配备电动隔离开关（DS1）、接触器（KM1、KM2）、预充电接触器（KM3）、预充电电阻（R1、R2）、常闭接触器（KM6）、放电电阻（R3）以及其他辅助元件。

DC变换柜（1#-4#）：主要完成对系统充电和放电过程中的电流进行双向变换和控制，该部分采用4组并联的形式，设备内部配置情况节2.1节。

接触器柜：主要完成系统充放电主令控制，系统检修或故障时对超级电容强制放电。柜内配备主令接触器（KM4、KM5）、放电接触器（KM7）和大功率放电电阻阵列。

超级电容柜（1#-5#）：配置超级电容阵列，完成电能的存储。

负极隔离柜：主要完成系统与负极母线的隔离，柜内配备电动隔离开关（DS2）及其他辅助元器件。

1.2 系统原理

城轨车辆在制动时，其制动动能转换为电能通过机车变流器向供电线网供电，此时系统会检测到直流母线电压升高，并达到阀值（850V）时，系统投入工作，在电压电流受控的情况下，将电能转变成电场能量，储存在超级电容陈列中，降低接触网电压；城轨车辆再加速或牵引时，超级电容陈列通过DC-DC变换器向直流母线放电，为城轨车辆提供运行的峰值能量。

系统在工作主要分四个模式，包括：待机模式、充电模式、放电模式和故障（维检）模式，这四个模式的工作状态如下：

待机模式：DS2、DS1合闸，KM4、KM5合闸，KM6、KM7分闸，HSCB合闸；由于超级电容的充放电特性与电解电容的特性相同，但由于其容值极大，作为储能元件在应用中需要对超级电容进行预储能，因此需要将接触器KM3合闸，对超级电容进行预充电并达到一定深度后，主令接触器KM1、KM2闭合，接触器KM3分闸，完成预充电过程，系统进入待机模式。

充电模式：在城轨车辆制动时，直流母线电压升至阀值，系统进入充电模式，牵引网侧通过DC-DC变换器向超级电容侧充电，DC-DC变换器工作于buck模式，抑制直流母线的电压升高，控制充电过程，在充电模式初期，以额定最大充电电流充电，在超级电容端电压进入最高额定电压范围时，自动减小充电电流，具体控制策略见2.2节。

放电模式：在城轨车辆在加速和牵引时，系统进入放电模式，超级电容侧向牵引网侧放电，DC-DC变换器工作与boost模式，斩波升压对牵引网侧放电并控制放电过程，在放电模式初期，以额定最大的放电电流放电，在接近超级电容放电深度时，自动减小放电电流，具体控制策略见2.2节。

故障（维检）模式：在系统主要电器元件包括：直流快速断路器、电动隔离开关、主令接触器、IGBT、超级电容等损坏或DC变换柜和超级电容柜温升过高时，系统紧急停机，主回路分断隔离，退出工作状态。

1.3 系统参数

额定功率： 2 MW

牵引网侧额定电压：750 V

牵引网侧额定电流：2667 A

超级电容侧额定电压500 V

超级电容器组工作范围：200～500 V

超级电容侧额定电流（总）：4000 A

充电电流波纹：≤10%

放电电压波纹：≤2%

1.4 主回路主要元件选型

系统主回路主要电气元件选型如下表1。

2 DC/DC直流变换器

2.1 基本原理

DC/DC直流变换器将经典的buck电路（降压斩波电路）和boost电路（升压斩波电路）进行组合，为减小器件的电流应力和纹波，采用四重并联的方式（如图2所示），同时配备直流变换控制器、L型低通滤波器和电压电流的保护器件，实现能量的双向传递；其中DC+和DC+(转换)为输入输出两端，DC-为系统公共端（一般为系统负极）。系统处于充电模式时，DC/DC直流变换器工作于buck状态，系统处于放电模式时，DC/DC直流变换器工作于boost状态。

直流变换控制器根据一定的控制策略（见2.3节）对开关器件（T1~T8）的控制门极输出脉冲信号，控制四个并联支路的充电或放电电流。

LC型低通滤波器主要是防止谐波在牵引网侧和变换器侧之间的传播，同时滤波电感（LL1）还防止牵引网的峰值电流对变换器的冲击，支撑电容（FC1）在系统充电时也起到能量存储的作用。

2.2 控制策略

图3是储能装置的控制流程图，控制的主要目的是减少超级电容充放电的电压波动，以及还要限制充放电电流，避免过大的电流损坏器件，另一方面还要将超级电容储能装置控制在一个合理的范围，既能提供一定的功率输出，同时保证有一定的吸收能量空间。

控制系统采用电压外环，电流内环双闭环串极控制结构。列车的运行状态有牵引和制动特性曲线唯一确定，列车速度与牵引电机的电压，电流一一对应，即通过列车的速度就可以确定直流牵引网电压的参考值。控制原理是电压给定与电压反馈比较，得到电压误差给电压调节器输出作为电流给定与电流反馈I比较，得到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。

直流参考电压要兼顾充电模式和放电模式两种工况，故直流参考电压会根据充电和放电工况的不同而改变。综上，当列车牵引时参考电压U=740 V，即当网压低于U=740 V 时，超级电容放电；当列车再生制动时参考电压U=770 V ，即当网压高于U=770 V 时，超级电容开始充电。此外，还要估算检测到的直流电压和参考电压U的误差，而参考电流是由式（1）确定：

式中，P和I是任意确定的常数，通过这种方式，升压和降压变换器可以分不同的情况进行恰当的控制。

3 超级电容阵列

超级电容储能装置所选用的单个超级电容规格为125V/63F，要实现2MW的功率，选择功率约束法来计算所需的超级电容阵列数。

功率约束法是为验证超级电容组的功率处理能力，在一定的时间T内，对超级电容组进行某一恒定功率下的充电或放电，达到对指定能量的吸收。

假设超级电容组由n串m并组成，对单个电容器有：

设充电起始时刻:

uYt0=U/2

经过时间，充电结束，超级电容电压升为u(t0且。所采用的125 V/63F电容器，单体模块的最大功率P=22471W。故超级电容阵列满足：

对于750 V直流供电网，电压波动范围600 V～900 V，超级电容储能装置的额定电压为500 V。可设计超级电容组的最高端电压为625 V得，n=5，m=18；共需90个电容器模块，超级电容器组规格为625 V/226.8F，既满足设计要求，又节约了成本。

4 系统现实与测试

4.1 24脉整流机组

24脉整流电路是由两个12脉整流机组组成，2个12脉整流器的整流变压器高压网侧并联绕组分别采用±7.5°外延三角形连接，2套并联运行构成等效24脉整流器。图4为24脉整流器直流网侧电压输出波形。

由图4可以看出直流网侧电压谐波非常小，纹波系数=（754-750）/2*750=0.27%，达到预期要求。

4.2 超级电容储能装置充放电仿真计算

4.2.1 恒流充电模式仿真计算

超级电容储能装置充电时，图2等效为buck电路，T2,T4,T6,T8号IGBT截止，T1,T3,T5,T7号IGBT周期性导通，则充电时的电路可等效为图5所示：

在仿真计算时，0为24脉整流器直流侧750 V电压，其他参数采用上文计算数据。充电模式设定为额定电流4000 A下的恒流充电，超级电容储能装置初始电压为0。

图6为仿真计算的结果。

由此可知△=△×C/，超级电容器组的参数为625 V/226.8F，△取超级电容器组的额定电压500V，则△=500×226.8/4000=28.35 s，即理论上超级电容储能装置在空压情况下，以额定4000 A电流恒流充电，28.35 s可以充至额定电压，与仿真计算的结果相符。

但实际上，超级电容储能装置，在充电后期，随着电压的升高，充电效果减缓，并且在后期，为了达到快充的效果，并非一直都是恒流充电，故在实际中，超级电容储能装置充满电的时间要大于28.35 s。

4.2.2 放电模式仿真计算

超级电容储能装置放电时，图2等效为boost电路，T1,T3,T5,T7号IGBT截止，T2,T4,T6,T8号IGBT周期性导通，则充电时的电路可等效为图7所示：

设定超级电容在额定500 V电压下对系统放电，理论上至超级电容放电完全需要28.35 s，并且超级电容储能装置的电压应该呈线性下降，但实际上，超级电容储能装置放电至一定的深度不再继续放电，故实际上超级电容储能装置并不能放电完全，放电时间也比理论值大。放电模式下超级电容储能装置放电电压仿真计算结果如图8：

5 结束语

本文在介绍超级电容储能装置的基础上，自行设计了基于双向Buck-Boost电路的2MW超级电容储能系统，对主要的电路元器件进行计算选型，并深入研究双向Buck-Boost电路，等效计算充放电两种模式下的超级电容储能装置的电压和电流，初步达到了预期设计效果。

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Design and Implementation of 2MW Regenerative Braking Energy Storing Device of Urban Subway System

Chen Yunan, Tong Xiang, Jin Xuefeng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan430064, China)

During the process of regenerative braking of the subway, the regenerative energy feedback to DC power system by the frequency device of the train may cause the rise of voltage. The amount of regenerative energy is very high large because of the short distance between two stations and the frequent starting and braking. The survey shows that a part of regenerative energy is absorbed by the neighbouring train, and the other part is absorbed by resistance and release heat into the surrounding. It causes the rise of temperature in tunnel and waste of energy. To solve the above problem, the author presents a set of 2MW regenerative energy storing device based on super capacitor, which absorbs and stores the regenerative energy. When the voltage of DC power system drops, the device releases the storing energy into system to ensure the voltage stability and reduces the cost. The author determines the type of the main components by calculating. According to the parameter of the main components, the author constructs the Buck-boost circuit simulation model to calculate the waveform of voltage and circuit when the device absorbs and releases the regenerative braking energy. By analyzing the waveform, the author achieves the desired goal.

regenerative braking; 2MW energy storing device; Buck-Boost circuit

TM743

A

1003-4862（2016）03-0032-05

2015-07-12

陈裕楠(1989-), 男。研究方向：直流牵引保护。