车载超级电容储能系统和逆变回馈系统协调控制

曹成琦，王欣，秦斌，张凯，梁枫

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412007）

车载超级电容储能系统和逆变回馈系统协调控制

曹成琦，王欣，秦斌，张凯，梁枫

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412007）

地铁站间距离较短，机车频繁的启动和制动，造成直流牵引网波动过大和产生大量再生制动能量。针对这一问题，采用了一种双向DC-DC控制的超级电容储能系统和逆变回馈系统进行协调控制，从而稳定直流牵引网电压和有效利用再生制动能量。制定了双向DC-DC变换器的电压外环、电流内环的双PI控制策略，逆变并网系统采用空间矢量控制策略。搭建了车载超级电容储能系统和逆变回馈系统的仿真模型，仿真结果验证了超级电容储能系统吸收再生制动能量，有效地抑制牵引网电压，逆变并网系统能够消耗一部分升高的牵引网电压，减少超级电容体积。

城市轨道交通；超级电容；双向DC-DC变换器；逆变回馈

0 引言

随着我国城市人口的急剧增长，导致城市的交通问题也日益严重。因此，需要发展运量大、污染少、可靠性强、节能环保等优点的城市轨道交通[1]。在未来几年，我国城轨的建设即将步入了高速发展时期。由于城市轨道交通列车启动和制动频繁、速度变化较大、站间距较短，列车启动或者加速时，会造成直流牵引网电压的降低；列车再生制动时会产生大量再生制动能量，产生的能量会回到直流牵引网，从而造成直流牵引网电压的抬升，当直流牵引网电压严重过高时，会导致再生制动失效，从而整个轨道交通网络的供电都会受到影响，列车再生制动的能量约占总耗能的20%-60%[2]。为解决以上问题，国内主要采取电阻能耗型处理再生制动能量，大量的再生制动能量没有被有效利用而是被电阻以发热的形式消耗掉，电阻能耗型消耗能量产生的热能会使隧道和站台的温度大幅上升，从而导致对站内的空调和通风系统要求的提高，这样不仅浪费了电能，还会增加城市轨道交通的运营成本，所以轨道交通急需新型的储能装置来解决这一系列的问题，使再生制动能量得到很好的回收利用，达到节能的目的[3]。

1 超级电容储能系统

1.1 超级电容储能系统工作原理

超级电容储能型作为一种新型的储能系统，具有功率密度高、充放电速度快、效率高、耐温性能好、维护费用低、清洁能源等优点[4]。超级电容作为一种新型的储能装置广泛应用于各个领域。超级电容储能型再生制动能量吸收装置原理图如图1所示，由双向DC-DC变换器和超级电容组构成。当列车在启动阶段时，会造成牵引网电压的下降，超级电容放电来补偿下降的牵引网电压；当列车在再生制动阶段时，会造成牵引网电压的抬升，超级电容充电吸收再生制动产生的能量并储存起来。超级电容储能型装置的主要作用是能够抑制牵引网的电压的波动，防止牵引网电压过高或者过低，防止再生制动失效和吸收再生制动产生的能量。

图1 超级电容储能结构图Fig.1 Super capacitor energy storage chart

1.2 双向DC-DC变换器

双向DC-DC变换器对输入和输出电压的极性并不影响，只改变电压的大小。根据控制系统产生的脉冲来控制IGBT开关管的通断，当一个IGBT的开关管导通，另一个IGBT的开关管关断，关断的IGBT中反向二极管续流进而构成回路。双向DC-DC变换器通过IGBT的通断和二极管的续流来实现能量的双向传输。双向DC-DC变换器的种类十分繁多，主要分为隔离式变换器和非隔离式变换器，隔离式变换器中有变压器，则隔离式变换器的变压器会使超级电容储能系统的成本和损耗大大增加。因为非隔离式的双向DC-DC变换器的结构简单、控制方便、成本比较低廉、输出的电流纹波小[5]，所以非隔离式的双向DC-DC变换器广泛应用储能系统中。非隔离式双向DC-DC变换器在功能上实际上是Buck电路和Boost电路的组合。如图2所示为非隔离式的双向DC-DC变换器的拓扑结构。

图2 双向DC-DC变换器电路Fig.2 Bidirectional DC-DC converter circuit

1.3 超级电容储能系统控制策略

双向DC-DC变换器控制超级电容充放电是一个二阶电路，两个变量分别是电容电压和电感电流。所以论文采用的控制策略是直流牵引网电压外环、电感电流电流内环的双PI控制。

图3为双向DC-DC变换器的控制框图。图中直流牵引网电压Udc与直流牵引网电压给定值Uref的差值经过PI电压调节器调节得到电感电流的给定值，与实际电感电流值的差值通过PI电流调节器得到的输出，最后经过脉宽调制得到触发开关器件的控制信号PWM值。

图3 双向DC-DC变换器的控制框图Fig. 3 Control block diagram of bidirectional DC-DC converter

2 逆变回馈系统

2.1 逆变回馈系统工作原理

逆变回馈型再生制动能量吸收装置如图4所示。当列车再生制动时，产生的再生制动能量会导致牵引网电压抬升，这时逆变回馈型装置把多余的能量回馈到交流电网中[6]。基本工作原理为：当列车再生制动时，产生的电能会使牵引网电压超过预设值，这时候三相逆变器开始工作，将再生制动产生的能量由直流变为交流回馈到交流电网，回馈的电能能够用于地铁照明系统和空调系统[7]。

图4 逆变回馈型再生制动能量吸收装置Fig. 4 Regenerative braking energy absorption device

2.2 逆变回馈系统控制策略

图5 并网逆变系统控制原理图Fig. 5 Control principle of grid connected inverter system

3 MATLAB仿真

3.1 仿真模型的建立

城市轨道交通超级电容储能系统仿真模型的主要参数，直流牵引网：电压Udc=1500V，R1=0.2Ω，L1=0.012H，C1=0.05F；超级电容电压Uscmin=500V，Uscmax=1000V，储能容量C=121.9F，内阻RES=5.6mΩ，储能电感L2=56mH，滤波电容C2=74.4μF，开关管开关频率5000Hz；交流电网电压380V。超级电容储能模块作用为释放储能的电能和吸收抬升的直流牵引网电压，双向DC-DC模块主要作用为控制超级电容进行充放电，机车牵引传动模块作用主要为模拟列车运行，并网逆变模块作用主要为当列车再生制动时，超级电容储能系统吸收再生制动能量，当快要达到额定电压时，这时启动逆变回馈装置，把多余的再生制动能量回馈到交流电网供照明系统和空调系统使用。

3.2 仿真结果

地铁牵引供电系统中没有超级电容储能系统时，牵引网的电压如图6所示。在没有超级电容储能系统的情况下，地铁的启动和制动会导致牵引网电压的造成波动较大。

图6 无超级电容的牵引网电压Fig.6 Traction network voltage without super capacitor

图7所示是地铁牵引供电系统加入了超级电容储能系统。在有超级电容的情况下，地铁的启动和制动对牵引网电压能够进行很好补偿和吸收。

比较图6和图7中电压波形可以看出，无超级电容时，牵引网电压波动很大；有超级电容时，牵引网电压在1500V上下波动。验证了超级电容能够有效的控制牵引网电压的波动和对双向DC-DC变换器的控制策略是正确的。

图7 有超级电容的牵引网电压Fig.7 Traction network voltage with super capacitor

图8为逆变器交流侧的电压波形，逆变器把升高的直流牵引网电压逆变为交流，但是电压还需经过LCL滤波，得到的电压已经近似正弦波，最后经过变压器变压后的电压波形如图9所示，电压完全变成了正弦波，而且符合国家照明系统用电标准。表明通过超级电容储能系统和逆变回馈装置进行协调控制，能够分担一部分升高的牵引网电压，从而减少车载超级电容的体积，延长车载超级电容的使用寿命。

图8 逆变器交流侧三相电压波形Fig.8 Inverter AC side three-phase voltage waveform

图10是超级电容两端的电压，当牵引网电压跌落时，超级电容进行放电补偿跌落的电压；当牵引网电压升高时，超级电容进行充电。列车在惰行状态下时，超级电容不进行工作。

图9 LCL滤波后的三相电压波形Fig.9 Three phase voltage waveform after LCL filtering

图10 超级电容两端的电压Fig. 10 Voltage at both ends of the super capacitor

5 结语

本文主要分析了超级电容储能系统和逆变回馈系统的工作原理，设计了双向DC-DC变换器的直流牵引网电压外环、电感电流内环控制策略和逆变并网的空间矢量控制策略。在matlab/simulink中搭建了超级电容储能系统和逆变并网系统仿真模型，模拟列车的实际运行状况，仿真结果验证超级电容储能系统能够稳定直流牵引网电压和控制策略的可行性，逆变并网系统能够逆变一部分升高的牵引网电压，减少车载超级电容的体积。

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Song Xin，Wang Xin，Gong Xiaoyan. SVPWM control simulation of Metro permanent magnet traction motor based on speed sensorless [J]. Journal of New Industrialization，2016，6 （5）.

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Peng Saizhuang ，Zhu Xiaoqing，Qin Bin，et al. SVPWM control of Metro regenerative braking energy absorption simulation research of [J]. Journal of New Industrialization，2015（3）： 20-27.

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.车载超级电容储能系统和逆变回馈系统协调控制[J]. 新型工业化，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.

国家自然科学基金（61074067，21106036），湖南省科技计划重点项目（2014FJ2018）

曹成琦（1990-），男，湖南工业大学硕士研究生，主要研究方向：电力系统及其自动化；王欣（1971-），女，博士，教授，主要研究方向：复杂工业过程控制、能量管理、机器学习；秦斌（1963-），男，博士，教授，主要研究方向：复杂工业化过程建模与优化控制；张凯（1990-），男 ，硕士研究生，主要研究方向：现代电力电子技术；梁枫（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：复杂电气系统信息集成和协调控制