有轨电车超级电容的充电方式转换技术研究

田 炜, 常鹏飞, 潘文霞

( 1. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106；2. 河海大学能源与电气学院，江苏 南京 211106)

0 引言

近年来，城市交通拥堵、环境污染、能源短缺等问题日益突出，采用超级电容储能作为动力的有轨电车作为一种使用绿色清洁能源的新型交通工具，对于应对能源危机和解决环境污染问题有很大的帮助，大力发展这种清洁、高效、智能的交通工具是21世纪的必然选择[1-3]。因此，如何在满足其特性要求的情况下对超级电容进行快速充电成为了一个亟待解决的重要问题。

目前，有轨电车充电装置主要采用的是传统多脉波整流技术，由于其固有特性，使得整流器存在交流侧输入电压畸变，电流谐波含量高，输出电压纹波大等问题，对电网造成了谐波污染[4-6]。

采用恒流限压充电方式对超级电容进行充电[7-8]时，在大电流情况下恒流充电至额定电压状态时，采用传统多脉波整流技术的充电装置会出现充电功率不足的情况，在充电至额定电压附近由恒流充电方式切换至恒压充电方式时，切换过程也不够快速平稳[9]。文献[10]提出充电装置采用脉冲宽度调制(pulse-width modulation，PWM)整流方式，电压-电流双闭环与电压前馈相结合的控制策略。文献[11]提出为解决单相Buck功率不足的问题，采用四相交错并联的拓扑结构。文献[12]提出采用PWM整流器加两级级联型三相三重斩波电路构成的充电装置拓扑结构。上述关于现代有轨电车充电装置的文献均未提及针对超级电容充电特性设计的充电方式转换技术。

文中所提控制方法可使得超级电容充电控制稳定，提高整流器的响应速度，快速稳定直流母线电压，且能够控制网侧功率因数，使整流器在单位功率因数下运行，实现网侧电流的正弦化，并降低整流器的输入电流谐波畸变率(total harmonic distortion，THD)含量，有效抑制整流器对电网的谐波污染。同时还通过控制实现对超级电容短时大功率的恒流限压充电，保证恒流充电方式至恒压充电方式的无缝切换。

1 充电装置控制原理

图1为有轨电车充电装置主回路，可知：有轨电车超级电容的充电装置包括LCL滤波电容模块、PWM整流模块、斩波器模块及隔离开关柜等。图中Ufed，Ifed分别为充电装置输出电流与输出电压；Udc为整流模块输出电压。

图1 有轨电车充电装置的主电路Fig.1 The main circuit of the charging-device

1.1 PWM整流模块控制

目前三相电压源型PWM整流器(voltage source rectifier，VSR)最常用的控制策略是基于坐标变换的双闭环控制，将静止三相坐标系中的交流量转换为同步旋转坐标系中的直流量，对直流量采用经典PI控制，可以实现无差跟踪[13-16]。根据坐标变换理论，可以得到三相VSR在两相同步旋转dq坐标系下的数学模型，如图2所示。

图2 dq坐标系下的网侧矢量图Fig.2 The net side vector in dq co-ordinate

输出控制量vd，vq的表达式为：

(1)

式(1)为同步旋转坐标系下整流器的数学模型，其中ud，uq分别为同步旋转坐标系下的dq分量；id，iq分别为同步旋转坐标系下的dq分量；R，L分别为整流模块交流侧滤波电阻和滤波电感。系统采用电压外环电流内环与电压前馈相结合的控制策略[17]，其控制框图如图3所示。图中带*注的物理量均为指令值，其余为实测值。

图3 三相整流器控制框图Fig.3 Control diagram of three-phase rectifier

1.2 斩波器模块控制

文中采用固定频率PWM控制。根据储能装置超级电容的特性，充电装置的控制策略分为电压型PWM控制策略和电流型PWM控制策略。

1.2.1 电压型PWM控制策略

固定频率电压型PWM控制器的控制框图如图4所示。输出电压Uout与固定参考电压Uref比较，得到一个误差电压Ue，该误差电压经过积分放大器后，与一固定频率的三角波相比，当误差电压高于三角波信号时，输出为高电平，当误差电压低于三角波信号时，输出为低电平。此高低电平即为PWM信号[18]。

图4 电压型PWM控制框图Fig.4 Diagram of voltage PWM controller

1.2.2 电流型PWM控制策略

固定频率电流型PWM控制器既可采用电压外环和电流内环的双环控制，亦可采用单电流环控制。根据负载超级电容的特性，文中采用单电流环控制，其原理图与电压型PWM控制策略相类似，如图5所示。

图5 电流型PWM控制框图Fig.5 Diagram of current PWM controller

2 充电装置恒流限压充电与恒压充电之间的转换

恒压控制中，2个模块采样同一个输出电压值，输出两路PWM波控制2个模块。由输出电压值控制恒流充电模式与恒压充电模式的切换，当检测到输出电压达到限定值时，由恒流充电模式切换至恒压充电模式[19]，如图6所示。

图6 充电模式切换框图Fig.6 Diagram of charging-mode switching

充电装置负载为超级电容，在切换瞬间，若输出电压因控制模式的变换而产生一定差异，会使得输出电流瞬时增大，对负载及充电装置产生不良影响。因此为避免因控制模式的切换导致输出电流、电压波动过大，将切换前电流PI调节器的输出值作为切换后电压PI调节器的积分初始值，将电压PI调节器的输出值作为切换后电流PI调节器的积分初始值，这样在切换过程瞬间，控制模块给出的指令能无缝对接上一时间段的控制输出量，而后按照切换后的控制模式输出，从而实现无缝切换。

此外，通过设置进出站标志位及充电等待标志位，能够实现上下行列车充电的各种工况，包括单行列车进站充电工况、上下行列车同时进站充电工况、越站工况等。上下行列车同时进站充电工况是指上(下)行列车正在充电过程中，下(上)行列车进站，此时，下(上)行列车处于等待状态，当上(下)行列车充电完成后，下(上)行列车再开始充电。越站工况，即列车进站后未做停留，直接出站。列车进站，启动充电装置，当充电装置检测到列车出站信号时，立即停止充电，有效抑制了拉弧现象的发生。

3 参数设计及仿真实验结果

3.1 斩波器模块控制

根据实际需求，设计为系统整流模块满功率恒流充电时，交流侧输入充电电压为AC 690 V；直流母线电压为DC 1100 V；斩波器输出充电电压为DC0～900 V可调；输出电流为0～1800 A可调。

3.2 仿真结果及分析

仿真中，整流模块将网侧690 V的交流电压变换为1100 V的直流电压，直流斩波模块将1100 V的直流电压转变为超级电容需要的电压。图7为充电装置运行过程中网侧输入电压、输入电流及直流母线电压波形。

图7 网侧输入电压和电流及直流母线电压波形Fig.7 Waveforms of the input voltage and input current of the net, and the DC bus voltage

由图7可知：充电装置刚开始爬坡向超级电容充电时，直流侧母线电压由于功率的瞬时增大而被拉低；当完成爬坡，充电装置工作在恒流限压充电模式时，直流侧母线电压一直稳定在1100 V左右；但超级电容的电压达到设定值时，充电装置由恒流限压工作模式转换为恒压工作模式，此时，直流侧母线电压由于能量惯性有一个小的起伏。整个充电过程中，网侧输入电压稳定在690 V左右，体现了PWM控制策略的有效性。

图8 该整流器与12脉波整流器网侧电流THDFig.8 The curengt THD of VSR and 12 pulse rectifier

图8(a)为该充电装置的网侧电流THD，图8(b)为相同网侧电压与负载情况下，12脉波整流器的网侧电流THD。可看出文中设计的充电装置运行产生的谐波污染为0.59%，低于轨道交通中常用的12脉波整流器所产生的谐波污染2.48%，因此考虑到有轨电车运行对电网其他负荷的影响，采用该套充电装置的设计方案更为合适。

图9 充电装置输出电压及输出电流波形Fig.9 Waveforms of the output voltage and output current

图9为装置的输出电压及输出电流波形，可知：充电装置刚开始爬坡向超级电容充电时，输出电压以一定的斜率缓慢增长；当完成爬坡，充电装置工作在恒流限压充电模式时，输出电压以另一个斜率缓慢增长；当超级电容的电压达到设定值时，充电装置由恒流限压工作模式转换为恒压工作模式，此时，输出电压稳定在设定值，输出电流减小，直至为0。在由恒流限压工作模式转换为恒压工作模式的瞬间，输出电压及输出电流未出现大的尖峰，实现了2种充电模式的无缝切换。

3.3 实验结果及分析

实验中，采用与仿真数据相同，即整流模块将网侧690 V的交流电压变换为1100 V的直流电压，直流斩波模块将1100 V的直流电压转变为超级电容需要的电压。图10为装置的输出电压/输出电流及输出能量的波形。

图10 充电装置输出电压及输出电流波形Fig.10 Waveforms of output voltage, current and energy

由图10可知：实验波形与理论分析相吻合，与仿真波形相一致，即充电装置刚开始爬坡向超级电容充电时，输出电压以一定的斜率缓慢增长；当完成爬坡，充电装置工作在恒流限压充电模式时，输出电压以另一个斜率缓慢增长；当超级电容的电压达到设定值时，充电装置由恒流限压工作模式转换为恒压工作模式，控制模式(恒流限压充电方式及恒压充电方式)转换瞬间输出电压、输出电流未出现较大的尖峰值。此时，输出电压稳定在设定值，输出电流减小，直至为0。

4 结语

文中针对有轨电车超级电容充电装置采用传统的多脉波整流技术存在的种种问题，提出了整流模块采用PWM控制策略，直流斩波模块通过改变其积分器的初始给定值，使得充电装置能够在恒流限压充电模式与恒压充电模式之间实现无缝切换。仿真结果与理论分析相吻合，实验波形与仿真结果相一致，并且此控制方案已成功应用于广州有轨电车充电装置系统中，运行稳定，对推动现代有轨电车在各大城市的推广建设具有一定的应用价值。

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