基于Matlab的复合型储能吸收回馈装置的仿真分析

索红亮 娄丽丽

摘要：本文详细介绍了对超级电容储能系统中时的控制策略，以及通过MATLAB仿真分析对三电平双向DC-DC变换器的控制策略进行了有效验证。

关键词：储能吸收;三电平;控制策略

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0094-02

0 引言

当地铁机车刹车制动时产生再生制动电能，导致牵引网压波动过大，这种情况会严重影响地铁机车的正常运行。针对电阻能耗型方案存在的问题，提出了一种应用于地铁试验线的超级电容+制动电阻的复合型储能吸收回馈装置，让超级电容器组尽量储能制动电能，剩余制动电能由电阻吸收，本文分析了三电平双向直流变换器的控制策略，并在Matlab/Simulink 平台上搭建仿真模型，验证了三电平双向直流变换器拓扑的优点。

1 三电平双向直流变换器控制策略

在地铁轨道交通中，机车在制动时，将自身的动能转化成电能并反送回直流牵引网，在一定程度上减少能源浪费，超级电容器组回收储存地铁机车再生制动能量，多余部分再由制动电阻消耗，从而改善牵引网电压波动，避免地铁机车再生制动失效。机车加速时，由于线路阻抗的存在导致牵引网压下降，超级电容器组将储存的再生能量反馈回直流牵引网，达到能量再利用。复合型储能吸收装置连续不断地工作在充电状态，保持狀态，放电状态，通过对三电平双向直流变换器控制进行状态间的转变，实现能量的双向流动，起到节能和稳压的作用。因此三电平双向直流变换器控制策略包括三个控制环节：外环为直流牵引网输入电压环，内环为超级电容器组电流环或者制动电阻电流环，根据直流牵引网输入电压误差的大小和正负确定充放电电流的大小和方向[1]。另外对于三电平双向直流变换器来说，为了保证工作过程中各器件承受的电压应力始终为直流牵引网输入电压的一半还需引入直流电容中点电压均衡控制，使其工作电压 Udc1=Udc2=UH/2。

2 仿真分析

复合型储能吸收回馈系统包括电阻制动吸收系统和超级电容储能回馈系统两个部分，根据三电平双向直流变换器工作原理和控制策略，利用Matlab/Simulink 工具建立三电平电阻制动和超级电容储能回馈系统仿真模型，验证控制策略的合理性和有效性[2]。如图1所示为制动电阻和超级电容复合型储能吸收回馈装置的主电路及控制系统。

图中QS1、QS2为直流断路器，用于接通接触网直流母线;KM11、KM21为软启动接触器，RC1、RC2为软启动电阻，在设备启动工作时能够限制直流电容上电容Cd1、下电容Cd2的充电电流;KM11、KM22为主接触器，在直流电容上电容Cd1、下电容Cd2充电完毕后接通;L是直流电抗，用于限制直流侧故障电流的上升速率，为断路器跳闸预留足够时间;Q1、Q2、Q3、Q4是三电平双向直流变流器的IGBT;L1、L2是滤波电抗，平滑流向超级电容柜的电流和制动电阻的电流;R1-R4是对应的四组制动电阻，Csc是超级电容器组的总容量，CT和VT分别为电流电压传感器，采集直流母线电压、超级电容电压以及输出电感电流，Rf为泄放电阻，当超级电容检修时，用于泄放超级电容储存能量[3]。

当机车制动减速时，接触（牵引网）网直流母线电压抬升，装置的吸收支路和储能支路同时动作，其中储能支路的变换器柜工作在BUCK降压模式，将直流母线上的能量存储到超级电容储能柜中，减缓直流母线电压的抬升速率，同时吸收支路的斩波柜控制吸收的功率，使接触网电压限制在额定电压（分别根据牵引网DC1500、DC750V设置）以内;当列车启动加速时，接触网直流母线电压拉低，此时，装置的吸收支路变流器柜工作在BOOST升压模式，将超级电容的能量回馈到接触网中，限制了直流母线电压的下降，而吸收支路则断开，不产生吸收作用。因此本装置能够稳定直流母线电压，同时减少制动电阻消耗的能量和发热，产生较明显的节能降耗和改善直流接触网系统稳定性的作用。

3 结语

利用Matlab/Simulink 工具建立了电阻制动和超级电容储能吸收三电平控制系统仿真模型，仿真结果表明以牵引网直流母线电压做外环，以超级电容充放电流（制动电阻吸收电流）做内环，同时兼备直流电容中点电压均衡的三环控制系统性能，以达到抑制地铁轨道牵引网直流母线波动、满足控制制动电阻和超级电容系统充放电的要求。

参考文献

[1]胡斌，杨中平，黄先进，等.用于超级电容储能系统的三电平双向直流变换器及其控制[J].电工技术学报，2015，30（8）：83-89.

[2]阮新波.三电平直流变换器及其软开关技术[M].北京：科学出版社，2006.

[3]林飞，杜欣.电力电子应用技术的Matlab 仿真[M].北京：中国电力出版社，2008.

Simulation and Analysis of Composite Energy Storage Absorption and Feedback Device Based on MATLAB

SUO Hong-liang， LOU Li-li

（Langfang Yingbo Electrical Co.， Ltd. ， Langfang Hebei  065001）

Abstract：In this paper， the control strategy of supercapacitor energy storage system is introduced in detail， and the control strategy of three-level bidirectional DC-DC converter is validated by MATLAB simulation analysis.

Key words：energy storage and absorption; three-level; control strategy