朱 波，樸學(xué)松，楊建宇

(長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，吉林長(zhǎng)春130012)

隨著綠色交通的發(fā)展，軌道車輛在公共運(yùn)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(huì)出現(xiàn)影響城市的美觀或施工困難等問題。超級(jí)電容做為大容量?jī)?chǔ)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(gè)新的方向。

1 超級(jí)電容供電系統(tǒng)

超級(jí)電容供電系統(tǒng)如圖1所示，由電網(wǎng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)組成［1］。儲(chǔ)能系統(tǒng)由雙向的DC/DC變流器和超級(jí)電容組成。為了使超級(jí)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(jí)電容模塊組成儲(chǔ)能系統(tǒng)。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，雙向的DC/DC變流器將工作在降壓模式，為超級(jí)電容器充電，儲(chǔ)能系統(tǒng)將列車制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的再生電能吸收。在車輛起動(dòng)或無電網(wǎng)時(shí)，雙向DC/DC變流器工作在升壓模式，超級(jí)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(jí)電容混合供電系統(tǒng)

1.1 超級(jí)電容的等效模型

RC電路模型是最簡(jiǎn)單的一種超級(jí)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(jí)電容器總的漏電情況。超級(jí)電容的自放電回路的時(shí)間常數(shù)為數(shù)十個(gè)乃至上百個(gè)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的充放電時(shí)間常數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，圖2所示的簡(jiǎn)化等效模型為經(jīng)典模型。

當(dāng)超級(jí)電容以恒定電流I充放電時(shí)，則有式(1)所示的關(guān)系。根據(jù)式(2)可以得出超級(jí)電容充電時(shí)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(jí)電容的容量;△U額定時(shí)間內(nèi)的電壓降;t為充放電時(shí);U為電壓。

圖2 超級(jí)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(jì)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(jí)電容器的充放電主電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高［3］。

該電路運(yùn)行時(shí)，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(dāng)于buck變流器和boost變流器的組合。當(dāng)充電時(shí)，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(jìn)行通斷;當(dāng)放電時(shí)，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(jìn)行通斷。通過對(duì)DC/DC變流器工作狀態(tài)的變換，可以控制超級(jí)電容的充放電，有外電網(wǎng)時(shí)可以給超級(jí)電容充電，無外電網(wǎng)時(shí)超級(jí)電容可以為負(fù)載供電。

2 控制策略

采用超級(jí)電容儲(chǔ)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(dòng)時(shí)，為超級(jí)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(dāng)充電時(shí)，它將工作在buck模式下。當(dāng)超級(jí)電容電壓較低時(shí)，為恒流充電模式。當(dāng)超級(jí)電容兩端電壓達(dá)到一定值時(shí)，它的充電電流將逐漸減小，此時(shí)將由恒流充電模式轉(zhuǎn)為恒壓充電模式，直到充滿為止。當(dāng)列車大功率牽引或進(jìn)入無電區(qū)時(shí)，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(xiàn)［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(jì)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(qiáng)，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(shí)器0周期中斷更新故障信息，如果檢測(cè)到故障信息則會(huì)封鎖脈沖。圖5為充電PWM波中斷流程圖。充電時(shí)由EPWM1A輸出PWM波，放電時(shí)EPWM1B輸出PWM波。

3 超級(jí)電容在輕軌牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用

本設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于沈陽(yáng)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(jí)電容組為牽引系統(tǒng)供電，保證列車正常運(yùn)行。在實(shí)際中超級(jí)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(jí)電容組單周期充放電示意圖

每個(gè)“充電—放電”周期包括A、B、C、D4個(gè)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(jí)電容所能釋放的能量與最大電壓和最小電壓這兩個(gè)參數(shù)有關(guān)。若超級(jí)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(chǔ)能量Ws可以表示為:

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

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

本設(shè)計(jì)中牽引逆變器在一個(gè)無電區(qū)內(nèi)對(duì)能量的要求為列車以120 kW運(yùn)行12 s，以16 kW運(yùn)行80 s。

根據(jù)能量公式

列車一個(gè)無電區(qū)內(nèi)所需要的能量為:

本設(shè)計(jì)采用12個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)為一組，2組并聯(lián)，共使用24個(gè)超級(jí)電容。所示超級(jí)電容器組的容值為:

額定電壓為:48 V×12=576 V

在設(shè)計(jì)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(jí)電容所提供的能量為:

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

3.1 超級(jí)電容的充電

充電時(shí)，主電路拓?fù)涞刃閎uck電路，如圖7所示。

圖7 充電模式等效電路

本文設(shè)計(jì)的輕軌牽引系統(tǒng)額定電網(wǎng)電壓為直流750 V。試驗(yàn)時(shí)，DC/DC變流器從接觸網(wǎng)獲取750 V的直流電為超級(jí)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(jí)電容電壓;下面波形是超級(jí)電容電流。電網(wǎng)電壓為750 V，超級(jí)電容電壓為250～550 V，超級(jí)電容平均電流值為250 A。

從波形可以看出:超級(jí)電容先以恒流方式進(jìn)行充電，在即將充滿時(shí)，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(jìn)行充電，最終，電壓逐漸升至550 V，充電完成。

3.2 超級(jí)電容為牽引系統(tǒng)供電

放電時(shí)，主電路等效為boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示，超級(jí)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(jí)電容充電波形

圖9 放電模式等效電路

圖10 超級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)電容放電時(shí)，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(chǔ)能系統(tǒng)可以滿足牽引系統(tǒng)不同功率等級(jí)的要求，即滿足列車以不同的速度運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本文在介紹超級(jí)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(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。在有外電網(wǎng)時(shí)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量。當(dāng)列車進(jìn)行大功率牽引或在無電網(wǎng)情況下運(yùn)行時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)就會(huì)為列車的牽引系統(tǒng)提供能量。本超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)已成功應(yīng)用于沈陽(yáng)渾南70%輕軌列車的牽引系統(tǒng)中。

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