胡繼勝，馬杰，都業(yè)林

(大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧大連116028)*

0 引言

超級(jí)電容器再生制動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于城市軌道車(chē)輛、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域.雙向直流斬波變流器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量雙向傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)和控制方式是否合理直接影響著整個(gè)車(chē)載超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能.目前車(chē)載超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)主變流器多數(shù)采用BUCKBOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.

該電路變流器的容積功率為

其中，VDe為直流母線標(biāo)稱(chēng)電壓;k為電流脈動(dòng)系數(shù);Vcmin為超級(jí)電容器的最低工作電壓;PZmax為儲(chǔ)能系統(tǒng)所要吸收的最大功率.

圖1 常規(guī)變流器結(jié)構(gòu)

為衡量超級(jí)電容器儲(chǔ)能能力的利用程度，超級(jí)電容器容量利用率定義為:

其中，Vcmax為超級(jí)電容器的最高工作電壓，一般由超級(jí)電容器的額定電壓和安全余量確定.

提高超級(jí)電容器容量利用率可以減少超級(jí)電容器組中的單元個(gè)數(shù)，在減小重量和體積的同時(shí)，降低了成本.減小超級(jí)變流器的容積功率可以減弱電流脈動(dòng)量、提高系統(tǒng)的電磁兼容性和工作的可靠性.但從式(1)和(2)可以得出，提高超級(jí)電容器容量利用率λ需要降低Vcmin，而這樣卻增大了變流器容積功率PC.

為了緩解提高超級(jí)電容器的容量利用率和降低變流器容積功率的矛盾，本文提出了一種新型變流器作為車(chē)載超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的主變流器.

1 新型變流器簡(jiǎn)介

1.1 基本結(jié)構(gòu)

在采用新型變流器的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，超級(jí)電容器組C1、C2只是將原有儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容器單元重新組合，并未增加單元個(gè)數(shù).若原采用BUCK-BOOST結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中的超級(jí)電容器容量為C0，最高工作電壓為V0max.則在新型變流器系統(tǒng)中，C1=C2=1/2C0，V1max=V2max=V0max.其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 新型變流器結(jié)構(gòu)

1.2 控制方式

新型車(chē)載超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，依據(jù)直流環(huán)節(jié)電壓的變化控制變流器進(jìn)入充電或放電工況，而對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)超級(jí)電容器的充放電過(guò)程各分成兩個(gè)階段進(jìn)行控制.

1.2.1 超級(jí)電容器充電過(guò)程

(1)工作方式一

若2Vcmin＜Vc1+Vc2＜VDe時(shí)，T10一致導(dǎo)通，T20、T21、T12、T22一直關(guān)斷.對(duì) T11實(shí)施 PWM 控制，則此時(shí) T11、L1、C1、T10、L2、C2及 D12組成了一個(gè)與常規(guī)儲(chǔ)能再生制動(dòng)變流器等效的BUCK電路進(jìn)行充電過(guò)程.

(2)工作方式二

若 Vc1+Vc2＞ VDe時(shí)，T10、T12、T22一直關(guān)斷、T20一直導(dǎo)通，分別對(duì)T11、T21實(shí)施PWM控制，而且保證PWM控制相位錯(cuò)開(kāi)半個(gè)周期，此時(shí)T11、L1、C1、T20及 D12，T21、L2、C2及 D22組成兩個(gè)獨(dú)立的與常規(guī)儲(chǔ)能再生制動(dòng)變流器等效的BUCK電路進(jìn)行充電過(guò)程.

1.2.2 超級(jí)電容器放電過(guò)程

(1)工作方式三

若 Vc1+Vc2＞ VDe時(shí)，T20一直導(dǎo)通，T10、T11、T21一直關(guān)斷，分別對(duì)T12、T22實(shí)施PWM控制，而且保證PWM控制相位錯(cuò)開(kāi)半個(gè)周期，此時(shí)T12、L1、C1、T20及 D11，T22、L2、C2及 D21組成兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)施錯(cuò)相控制的且與常規(guī)儲(chǔ)能再生制動(dòng)變流器等效的BOOST電路，從而完成C1、C2的放電過(guò)程.

(2)工作方式四

若 2Vcmin＜ Vc1+Vc2＜ VDe時(shí)，T20、T22、T11、T21一直關(guān)斷，T10一直導(dǎo)通，對(duì)T12實(shí)施PWM控制，則D11、L1、C1、T10、L2、C2及 T12組成了一個(gè)與常規(guī)儲(chǔ)能再生制動(dòng)變流器等效的BOOST電路對(duì)C1、C2進(jìn)行放電.

2 新型變流器性能分析

2.1 主要性能參數(shù)

現(xiàn)以某型號(hào)燃料電池車(chē)為參考對(duì)象，需要設(shè)計(jì)的超級(jí)電容器再生制動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)為:儲(chǔ)能系統(tǒng)所要吸收的總制動(dòng)能量W=396 kJ;儲(chǔ)能系統(tǒng)所要求吸收的最大功率P=50 kW;直流母線標(biāo)稱(chēng)電壓為420 V.

以容量為60 F，額定電壓為48 V的超級(jí)電容器單元為基礎(chǔ)組合成超級(jí)電容器組.參照文獻(xiàn)［2］的計(jì)算方法，確定采用常規(guī)變流器的儲(chǔ)能系統(tǒng)的電容器單元組合方式、超級(jí)電容器組的電壓工作范圍和電抗器的電感值等參數(shù)值如下:組合方式為單組;電容器容量/額定電壓 =24 F/240 V;電壓范圍(Ucmin;Ucmax)=(150，224)V;峰值電流 Icmax=433.3 A;電感值LN=0.1 mH(＞0.05);容積功率 PC=181 986 W.

如果采用新型變流器，超級(jí)電容器組采用與常規(guī)變流器儲(chǔ)能系統(tǒng)相同的工作電壓范圍，充電電流的峰值出現(xiàn)在工作方式一超級(jí)電容器工作電壓最低時(shí)，但由于此時(shí)相當(dāng)于超級(jí)電容器組C1、C2兩者串聯(lián)，最低工作電壓較常規(guī)變流器儲(chǔ)能系統(tǒng)提高了一倍，因此充電電流峰值為BUCK-BOOST電路的一半.根據(jù)計(jì)算，得到結(jié)果如下:組合方式為雙組;電容器容量 /額定電壓=12 F/240 V;電壓范圍(Ucmin;Ucmax)=(150，224)V;峰值電流 Icmax=216.7 A;電感值LN=0.1 mH(＞0.04);容積功率PC=91 014 W.其中電抗器的電感值應(yīng)滿(mǎn)足:

其中，UFmax為直流母電壓最大值為超級(jí)電容器平均充電電流.

在電壓工作范圍(超級(jí)電容器的利用率)相同的情況下，從上述參數(shù)可以看出，變流器的容積功率及電流脈動(dòng)顯著減小.同樣也可以得出，在保持變流器原容積功率的條件下，采用新型變流器能可以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級(jí)電容器的利用率.或者兩個(gè)參數(shù)同時(shí)得到改善.

2.2 工作過(guò)程分析

以上文中計(jì)算計(jì)算得電路參數(shù)為依據(jù)，采用SIMULINK對(duì)常規(guī)儲(chǔ)能變流器和新型變流器在進(jìn)行充電過(guò)程進(jìn)行仿真，如圖3所示.

圖3 兩種變流器充電電流

通過(guò)與給出的參數(shù)值對(duì)照，充電電流的仿真結(jié)果與計(jì)算值基本一致.觀察仿真波形的包絡(luò)線可以看出，新型變流器對(duì)電容器的充電峰值電流較常規(guī)變流器小很多，即變流器的容積功率也得到減小.通過(guò)FFT變換得出，充電過(guò)程中的直流母線的電流諧波比采用BUCK-BOOST斬波器的儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流諧波大為減弱.

3 新型變流器控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 基于DSP的新型變流器控制系統(tǒng)

為了保證能按上文所述方式對(duì)新型車(chē)載超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，開(kāi)發(fā)了以TMS320F2812 DSP為核心的控制系統(tǒng).控制系統(tǒng)應(yīng)用了DSP的事件管理器EVA和EVB和ADC等外設(shè)資源.基于DSP的新型變流器控制系統(tǒng)如圖4所示.

在變流器的工作于方式一時(shí)，可以根據(jù)斬波頻率的要求，初始化定時(shí)器 T1的周期寄存器T1PR，并根據(jù)控制要求實(shí)時(shí)運(yùn)算得到T1CMPR的值，依據(jù)超級(jí)電容器充電電流的要求調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比.通過(guò)設(shè)定通用定時(shí)器全局控制寄存器 GPTCONA的 T2PIN位為 0，使 T2PWM_T2CMP引腳強(qiáng)制輸出低電平，此時(shí)功率管T12處于一直關(guān)斷的狀態(tài).通過(guò)對(duì)通用定時(shí)器T2周期寄存器的設(shè)定來(lái)設(shè)置數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣周期.

圖4 新型變流器DSP控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于在控制中，功率開(kāi)關(guān)T10和T20僅僅起到開(kāi)關(guān)作用，可以通過(guò)DSP多路復(fù)用引腳GPIOA0控制T10，GPIOA1控制T20在工作方式一時(shí)，分別使GPIOA0在寄存器GPACLEAR和GPIOA1在寄存器GPASET的對(duì)應(yīng)位置位.

變流器工作于其它的工作方式與工作方式一得設(shè)置方式基本相同，只是按照各自要求開(kāi)關(guān)管的工作方式不同，重新設(shè)定相關(guān)寄存器.

變流器工作方式的是依據(jù)系統(tǒng)直流母線和超級(jí)電容器組兩端電壓變化進(jìn)行的.電壓傳感器的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)采集電路處理.以通道ADCINA0采樣直流母線電壓，以通道ADCINB0和ADCINA1分別采用超級(jí)電容器組C1和C2端電壓.

3.2 不同工作方式控制的實(shí)現(xiàn)

用途不同的車(chē)載超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入充電工況和放電工況的切換模式有所不同.若系統(tǒng)要求當(dāng)VD＞(1+m)VDe時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入充電工作狀態(tài);當(dāng)VD＜(1-n)VDe時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入放電工作狀態(tài);當(dāng)(1-n)VDe＜VD＜(1+m)VDe時(shí)系統(tǒng)停止工作;其中m和n的值由設(shè)計(jì)者按系統(tǒng)要求設(shè)定，本設(shè)計(jì)中m=n=0.25.

如當(dāng)直流母線電壓為標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí)，電壓測(cè)量電路的輸出值為1.6 V;(1+m)VDe的電壓測(cè)量電路輸出值為2 V;(1-n)VDe的電壓測(cè)量電路輸出值為1.2 V.由于新型變流器的工作方式之間切換時(shí)，變流器中6個(gè)IGBT的狀態(tài)不同.實(shí)驗(yàn)中所采用的示波器僅有2個(gè)通道，為了獲得6路信號(hào)的狀態(tài)信息，可以通過(guò)CCS軟件觀察DSP寄存器的方法實(shí)現(xiàn).

附表 新型變流器控制電路DSP相關(guān)寄存器狀態(tài)

在充電過(guò)程中，示波器顯示T11和T21的控制信號(hào)，通道一為T(mén)11的控制信號(hào);通道二為T(mén)21的控制信號(hào).實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示.

圖5 新型變流器充電的控制信號(hào)輸出

在放電過(guò)程中，示波器顯示T12和T22的控制信號(hào)，通道一為T(mén)12的控制信號(hào);通道二為T(mén)22的控制信號(hào).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 新型變流器放電的控制信號(hào)輸出

4 結(jié)論

與目前車(chē)載超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)常用的變流系統(tǒng)相比，本文提出的車(chē)載超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)新型變流器，緩解了提高超級(jí)電容器容量利用率和減小變流器容積功率之間的矛盾.減小了直流環(huán)節(jié)的電流脈動(dòng)，提高了系統(tǒng)的電磁兼容性.本文針對(duì)新型變流器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠有效地對(duì)新型變流器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.

［1］HU JIN SHENG，ZHAN WEN YAN，DU YE LIN，et al.Investigation of the Improvement and Control Strategy of the Energy-Storage Regeneration Braking on Metro Vehicle［J］.Advances in Electrical Engieering＆Electrical Machines，2011，134:205-212.

［2］馬勇.城市軌道車(chē)輛超級(jí)電容儲(chǔ)再生制動(dòng)技術(shù)研究［D］.大連:大連交通大學(xué)，2010.

［3］胡繼勝，馬勇，王寧.輕軌車(chē)儲(chǔ)能再生制動(dòng)系統(tǒng)電路型式及主要技術(shù)參數(shù)的確定［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(2):69-73.

［4］許愛(ài)國(guó).城市軌道交通再生制動(dòng)能量利用技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2009.

［5］張慧妍.超級(jí)電容器直流儲(chǔ)能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究［D］.北京:中國(guó)科學(xué)院，2006.