朱 波，樸學(xué)松，楊建宇

(長春市軌道交通集團有限公司，吉林長春130012)

隨著綠色交通的發(fā)展，軌道車輛在公共運輸中占據(jù)了重要的地位。但在某些特定路段，采用架設(shè)接觸網(wǎng)或修建第3軌的供電方式會出現(xiàn)影響城市的美觀或施工困難等問題。超級電容做為大容量儲能元件可以為有軌電車在無電網(wǎng)條件下提供電能。它的出現(xiàn)為城市軌道交通的發(fā)展提供一個新的方向。

1 超級電容供電系統(tǒng)

超級電容供電系統(tǒng)如圖1所示，由電網(wǎng)系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)組成［1］。儲能系統(tǒng)由雙向的DC/DC變流器和超級電容組成。為了使超級電容的電壓及容量能夠滿足軌道車輛系統(tǒng)的需要，采取串并聯(lián)的方式，將超級電容模塊組成儲能系統(tǒng)。當列車制動時，雙向的DC/DC變流器將工作在降壓模式，為超級電容器充電，儲能系統(tǒng)將列車制動時所產(chǎn)生的再生電能吸收。在車輛起動或無電網(wǎng)時，雙向DC/DC變流器工作在升壓模式，超級電容器放電，為牽引系統(tǒng)提供電能，供列車牽引或平穩(wěn)通過無電區(qū)。

圖1 電網(wǎng)和超級電容混合供電系統(tǒng)

1.1 超級電容的等效模型

RC電路模型是最簡單的一種超級電容應(yīng)用模型［2］。它包括理想電容器C、等效串聯(lián)電阻ESR和等效并聯(lián)電阻EPR。ESR在充放電過程中所產(chǎn)生的能量損耗，一般以熱的形式表現(xiàn)出來。被稱為漏電電阻的等效并聯(lián)電阻EPR，可以反映超級電容器總的漏電情況。超級電容的自放電回路的時間常數(shù)為數(shù)十個乃至上百個小時，遠遠大于它的充放電時間常數(shù)。在實際應(yīng)用中，圖2所示的簡化等效模型為經(jīng)典模型。

當超級電容以恒定電流I充放電時，則有式(1)所示的關(guān)系。根據(jù)式(2)可以得出超級電容充電時間與容值及電壓之間的關(guān)系。

式中Q為充電電量;C為超級電容的容量;△U額定時間內(nèi)的電壓降;t為充放電時;U為電壓。

圖2 超級電容器模型

圖3 雙向buck-boost變換器

1.2 雙向DC/DC電路

本設(shè)計所采用的雙向DC/DC電路是如圖3所示的雙向buck-boost電路，該電路為超級電容器的充放電主電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高［3］。

該電路運行時，可以在不改變變流器兩端電壓方向的情況下，改變電流方向，這在功能上相當于buck變流器和boost變流器的組合。當充電時，變流器等效為buck變流器，S2截止，D2為續(xù)流二極管，開關(guān)管S1以一定的占空比進行通斷;當放電時，變流器等效為boost變流器，S1截止，D1為續(xù)流二極管，開關(guān)管S2以一定的占空比進行通斷。通過對DC/DC變流器工作狀態(tài)的變換，可以控制超級電容的充放電，有外電網(wǎng)時可以給超級電容充電，無外電網(wǎng)時超級電容可以為負載供電。

2 控制策略

采用超級電容儲能系統(tǒng)的主要目的是在列車大功率牽引或無電網(wǎng)條件下為牽引系統(tǒng)提供電能，并且在列車制動時，為超級電容充電。因此，雙向DC/DC變流器采用電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制的策略。當充電時，它將工作在buck模式下。當超級電容電壓較低時，為恒流充電模式。當超級電容兩端電壓達到一定值時，它的充電電流將逐漸減小，此時將由恒流充電模式轉(zhuǎn)為恒壓充電模式，直到充滿為止。當列車大功率牽引或進入無電區(qū)時，則處于放電狀態(tài)，DC/DC變流器工作在boost工作模式，輸出滿足牽引系統(tǒng)要求的電壓。由文獻［6］知，雙向DC/DC變流器buck工作模式與boost工作模式具有相同的控制模型，電路的穩(wěn)態(tài)方程為:

穩(wěn)態(tài)解為:

轉(zhuǎn)換到S域的模型為:

本設(shè)計提出的雙向DC/DC變換器雙閉環(huán)控制框圖如圖4 所示［4］。

圖4 雙向buck-boost控制框圖

采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，采用PI控制器校正，可使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，穩(wěn)定范圍寬，更為重要的是系統(tǒng)具有較快的限制電流能力，有效的降低了開關(guān)器件、電感等關(guān)鍵元器件的電流沖擊。

利用TMS320F28335的EPWM模塊可以方便的產(chǎn)生用于控制開關(guān)管的PWM波形［5］。設(shè)置開關(guān)管的開關(guān)頻率為4 kHz。EPWM1中斷通過不斷更新比較寄存器A和B的值，從而改變輸出占空比。定時器0周期中斷更新故障信息，如果檢測到故障信息則會封鎖脈沖。圖5為充電PWM波中斷流程圖。充電時由EPWM1A輸出PWM波，放電時EPWM1B輸出PWM波。

3 超級電容在輕軌牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用

本設(shè)計已成功應(yīng)用于沈陽渾南70%低地板輕軌列車中，由于在輕軌線路中有無電區(qū)，所以在無電區(qū)中采用超級電容組為牽引系統(tǒng)供電，保證列車正常運行。在實際中超級電容組單周期充放電示意圖如圖6所示:

圖5 充電中斷流程圖

圖6 超級電容組單周期充放電示意圖

每個“充電—放電”周期包括A、B、C、D4個區(qū)段:

A:充電，起始電壓250 V，充電至電壓550 V。

B:放電，初始電壓550 V，輸出功率120 kW。

C:放電，輸出功率16 kW，停止電壓250±5 V。

D:非充電、非放電狀態(tài)，電壓250±5 V，無電流。列車處于惰行狀態(tài)。

超級電容所能釋放的能量與最大電壓和最小電壓這兩個參數(shù)有關(guān)。若超級電容的容量為CF，額定電壓為Umax，最小電壓為Umin，則從理論上講，它可釋放的儲能量Ws可以表示為:

本設(shè)計采用的電容為美國Maxwell公司的BMOD0165 P048 B01型超級電容，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 Maxwell BMOD0165 P048 B01型超級電容具體參數(shù)

本設(shè)計中牽引逆變器在一個無電區(qū)內(nèi)對能量的要求為列車以120 kW運行12 s，以16 kW運行80 s。

根據(jù)能量公式

列車一個無電區(qū)內(nèi)所需要的能量為:

本設(shè)計采用12個超級電容串聯(lián)為一組，2組并聯(lián)，共使用24個超級電容。所示超級電容器組的容值為:

額定電壓為:48 V×12=576 V

在設(shè)計中給定最大充電電壓Umax=550 V，最小放電電壓Umin=250 V，根據(jù)能量公式，超級電容所提供的能量為:

假設(shè)DC/DC變流器的效率為90%，超級電容所釋放的能量可以滿足牽引逆變器的需要。

3.1 超級電容的充電

充電時，主電路拓撲等效為buck電路，如圖7所示。

圖7 充電模式等效電路

本文設(shè)計的輕軌牽引系統(tǒng)額定電網(wǎng)電壓為直流750 V。試驗時，DC/DC變流器從接觸網(wǎng)獲取750 V的直流電為超級電容充電，波形見圖8。

圖8中上面的波形是電網(wǎng)電壓;中間的波形是超級電容電壓;下面波形是超級電容電流。電網(wǎng)電壓為750 V，超級電容電壓為250～550 V，超級電容平均電流值為250 A。

從波形可以看出:超級電容先以恒流方式進行充電，在即將充滿時，電壓接近預(yù)充電最高的電壓閾值，充電電流逐漸減小，以恒壓方式進行充電，最終，電壓逐漸升至550 V，充電完成。

3.2 超級電容為牽引系統(tǒng)供電

放電時，主電路等效為boost電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖9所示，超級電容經(jīng)過DC/DC變流器輸出直流750 V，為牽引系統(tǒng)供電，波形見圖10。

圖8 超級電容充電波形

圖9 放電模式等效電路

圖10 超級電容放電波形

圖10中，上面的波形是DC/DC變流器輸出電壓，中間的波形是超級電容組的電壓，下面的波形是DC/DC變流器輸出電流。DC/DC變流器輸出電壓為750 V，輸出電流最大值為160 A，超級電容電壓變化范圍為550～250 V。

從變流器輸出電壓波形可以得出:超級電容放電時，DC/DC變流器輸出電壓恒定為750 V，為牽引系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的直流電。從變流器輸出電流波形可以得出:該儲能系統(tǒng)可以滿足牽引系統(tǒng)不同功率等級的要求，即滿足列車以不同的速度運行。

4 結(jié)束語

本文在介紹超級電容等效模型的基礎(chǔ)上，深入研究了基于雙向buck－boost電路的超級電容儲能系統(tǒng)。在有外電網(wǎng)時DC/DC變流器可以從外電網(wǎng)吸取能量，并且可以有效的吸收牽引系統(tǒng)制動時產(chǎn)生的能量。當列車進行大功率牽引或在無電網(wǎng)情況下運行時，超級電容儲能系統(tǒng)就會為列車的牽引系統(tǒng)提供能量。本超級電容儲能系統(tǒng)已成功應(yīng)用于沈陽渾南70%輕軌列車的牽引系統(tǒng)中。

［1］ 楊 惠，孫向東，鐘彥儒，陶柳英，張鵬程.基于雙向DCDC變換器的超級電容器儲能系統(tǒng)研究［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報，2011，27(4):456-460.

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