曹成琦，王欣，秦斌，張凱，梁楓

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007）

車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

曹成琦，王欣，秦斌，張凱，梁楓

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007）

地鐵站間距離較短，機(jī)車頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)，造成直流牽引網(wǎng)波動(dòng)過(guò)大和產(chǎn)生大量再生制動(dòng)能量。針對(duì)這一問(wèn)題，采用了一種雙向DC-DC控制的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，從而穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)電壓和有效利用再生制動(dòng)能量。制定了雙向DC-DC變換器的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙PI控制策略，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)采用空間矢量控制策略。搭建了車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收再生制動(dòng)能量，有效地抑制牽引網(wǎng)電壓，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)能夠消耗一部分升高的牽引網(wǎng)電壓，減少超級(jí)電容體積。

城市軌道交通；超級(jí)電容；雙向DC-DC變換器；逆變回饋

0 引言

隨著我國(guó)城市人口的急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致城市的交通問(wèn)題也日益嚴(yán)重。因此，需要發(fā)展運(yùn)量大、污染少、可靠性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的城市軌道交通[1]。在未來(lái)幾年，我國(guó)城軌的建設(shè)即將步入了高速發(fā)展時(shí)期。由于城市軌道交通列車啟動(dòng)和制動(dòng)頻繁、速度變化較大、站間距較短，列車啟動(dòng)或者加速時(shí)，會(huì)造成直流牽引網(wǎng)電壓的降低；列車再生制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量再生制動(dòng)能量，產(chǎn)生的能量會(huì)回到直流牽引網(wǎng)，從而造成直流牽引網(wǎng)電壓的抬升，當(dāng)直流牽引網(wǎng)電壓嚴(yán)重過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致再生制動(dòng)失效，從而整個(gè)軌道交通網(wǎng)絡(luò)的供電都會(huì)受到影響，列車再生制動(dòng)的能量約占總耗能的20%-60%[2]。為解決以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)主要采取電阻能耗型處理再生制動(dòng)能量，大量的再生制動(dòng)能量沒(méi)有被有效利用而是被電阻以發(fā)熱的形式消耗掉，電阻能耗型消耗能量產(chǎn)生的熱能會(huì)使隧道和站臺(tái)的溫度大幅上升，從而導(dǎo)致對(duì)站內(nèi)的空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)要求的提高，這樣不僅浪費(fèi)了電能，還會(huì)增加城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)成本，所以軌道交通急需新型的儲(chǔ)能裝置來(lái)解決這一系列的問(wèn)題，使再生制動(dòng)能量得到很好的回收利用，達(dá)到節(jié)能的目的[3]。

1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

超級(jí)電容儲(chǔ)能型作為一種新型的儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有功率密度高、充放電速度快、效率高、耐溫性能好、維護(hù)費(fèi)用低、清潔能源等優(yōu)點(diǎn)[4]。超級(jí)電容作為一種新型的儲(chǔ)能裝置廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。超級(jí)電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置原理圖如圖1所示，由雙向DC-DC變換器和超級(jí)電容組構(gòu)成。當(dāng)列車在啟動(dòng)階段時(shí)，會(huì)造成牽引網(wǎng)電壓的下降，超級(jí)電容放電來(lái)補(bǔ)償下降的牽引網(wǎng)電壓；當(dāng)列車在再生制動(dòng)階段時(shí)，會(huì)造成牽引網(wǎng)電壓的抬升，超級(jí)電容充電吸收再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量并儲(chǔ)存起來(lái)。超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置的主要作用是能夠抑制牽引網(wǎng)的電壓的波動(dòng)，防止?fàn)恳W(wǎng)電壓過(guò)高或者過(guò)低，防止再生制動(dòng)失效和吸收再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量。

圖1 超級(jí)電容儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Super capacitor energy storage chart

1.2 雙向DC-DC變換器

雙向DC-DC變換器對(duì)輸入和輸出電壓的極性并不影響，只改變電壓的大小。根據(jù)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖來(lái)控制IGBT開關(guān)管的通斷，當(dāng)一個(gè)IGBT的開關(guān)管導(dǎo)通，另一個(gè)IGBT的開關(guān)管關(guān)斷，關(guān)斷的IGBT中反向二極管續(xù)流進(jìn)而構(gòu)成回路。雙向DC-DC變換器通過(guò)IGBT的通斷和二極管的續(xù)流來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。雙向DC-DC變換器的種類十分繁多，主要分為隔離式變換器和非隔離式變換器，隔離式變換器中有變壓器，則隔離式變換器的變壓器會(huì)使超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和損耗大大增加。因?yàn)榉歉綦x式的雙向DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、成本比較低廉、輸出的電流紋波小[5]，所以非隔離式的雙向DC-DC變換器廣泛應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)中。非隔離式雙向DC-DC變換器在功能上實(shí)際上是Buck電路和Boost電路的組合。如圖2所示為非隔離式的雙向DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 雙向DC-DC變換器電路Fig.2 Bidirectional DC-DC converter circuit

1.3 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

雙向DC-DC變換器控制超級(jí)電容充放電是一個(gè)二階電路，兩個(gè)變量分別是電容電壓和電感電流。所以論文采用的控制策略是直流牽引網(wǎng)電壓外環(huán)、電感電流電流內(nèi)環(huán)的雙PI控制。

圖3為雙向DC-DC變換器的控制框圖。圖中直流牽引網(wǎng)電壓Udc與直流牽引網(wǎng)電壓給定值Uref的差值經(jīng)過(guò)PI電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到電感電流的給定值，與實(shí)際電感電流值的差值通過(guò)PI電流調(diào)節(jié)器得到的輸出，最后經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制得到觸發(fā)開關(guān)器件的控制信號(hào)PWM值。

圖3 雙向DC-DC變換器的控制框圖Fig. 3 Control block diagram of bidirectional DC-DC converter

2 逆變回饋系統(tǒng)

2.1 逆變回饋系統(tǒng)工作原理

逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置如圖4所示。當(dāng)列車再生制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量會(huì)導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓抬升，這時(shí)逆變回饋型裝置把多余的能量回饋到交流電網(wǎng)中[6]?；竟ぷ髟頌椋寒?dāng)列車再生制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的電能會(huì)使?fàn)恳W(wǎng)電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值，這時(shí)候三相逆變器開始工作，將再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量由直流變?yōu)榻涣骰仞伒浇涣麟娋W(wǎng)，回饋的電能能夠用于地鐵照明系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)[7]。

圖4 逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置Fig. 4 Regenerative braking energy absorption device

2.2 逆變回饋系統(tǒng)控制策略

圖5 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制原理圖Fig. 5 Control principle of grid connected inverter system

3 MATLAB仿真

3.1 仿真模型的建立

城市軌道交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型的主要參數(shù)，直流牽引網(wǎng)：電壓Udc=1500V，R1=0.2Ω，L1=0.012H，C1=0.05F；超級(jí)電容電壓Uscmin=500V，Uscmax=1000V，儲(chǔ)能容量C=121.9F，內(nèi)阻RES=5.6mΩ，儲(chǔ)能電感L2=56mH，濾波電容C2=74.4μF，開關(guān)管開關(guān)頻率5000Hz；交流電網(wǎng)電壓380V。超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊作用為釋放儲(chǔ)能的電能和吸收抬升的直流牽引網(wǎng)電壓，雙向DC-DC模塊主要作用為控制超級(jí)電容進(jìn)行充放電，機(jī)車牽引傳動(dòng)模塊作用主要為模擬列車運(yùn)行，并網(wǎng)逆變模塊作用主要為當(dāng)列車再生制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收再生制動(dòng)能量，當(dāng)快要達(dá)到額定電壓時(shí)，這時(shí)啟動(dòng)逆變回饋裝置，把多余的再生制動(dòng)能量回饋到交流電網(wǎng)供照明系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)使用。

3.2 仿真結(jié)果

地鐵牽引供電系統(tǒng)中沒(méi)有超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，牽引網(wǎng)的電壓如圖6所示。在沒(méi)有超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下，地鐵的啟動(dòng)和制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓的造成波動(dòng)較大。

圖6 無(wú)超級(jí)電容的牽引網(wǎng)電壓Fig.6 Traction network voltage without super capacitor

圖7所示是地鐵牽引供電系統(tǒng)加入了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。在有超級(jí)電容的情況下，地鐵的啟動(dòng)和制動(dòng)對(duì)牽引網(wǎng)電壓能夠進(jìn)行很好補(bǔ)償和吸收。

比較圖6和圖7中電壓波形可以看出，無(wú)超級(jí)電容時(shí)，牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)很大；有超級(jí)電容時(shí)，牽引網(wǎng)電壓在1500V上下波動(dòng)。驗(yàn)證了超級(jí)電容能夠有效的控制牽引網(wǎng)電壓的波動(dòng)和對(duì)雙向DC-DC變換器的控制策略是正確的。

圖7 有超級(jí)電容的牽引網(wǎng)電壓Fig.7 Traction network voltage with super capacitor

圖8為逆變器交流側(cè)的電壓波形，逆變器把升高的直流牽引網(wǎng)電壓逆變?yōu)榻涣?，但是電壓還需經(jīng)過(guò)LCL濾波，得到的電壓已經(jīng)近似正弦波，最后經(jīng)過(guò)變壓器變壓后的電壓波形如圖9所示，電壓完全變成了正弦波，而且符合國(guó)家照明系統(tǒng)用電標(biāo)準(zhǔn)。表明通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變回饋裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，能夠分擔(dān)一部分升高的牽引網(wǎng)電壓，從而減少車載超級(jí)電容的體積，延長(zhǎng)車載超級(jí)電容的使用壽命。

圖8 逆變器交流側(cè)三相電壓波形Fig.8 Inverter AC side three-phase voltage waveform

圖10是超級(jí)電容兩端的電壓，當(dāng)牽引網(wǎng)電壓跌落時(shí)，超級(jí)電容進(jìn)行放電補(bǔ)償?shù)涞碾妷?；?dāng)牽引網(wǎng)電壓升高時(shí)，超級(jí)電容進(jìn)行充電。列車在惰行狀態(tài)下時(shí)，超級(jí)電容不進(jìn)行工作。

圖9 LCL濾波后的三相電壓波形Fig.9 Three phase voltage waveform after LCL filtering

圖10 超級(jí)電容兩端的電壓Fig. 10 Voltage at both ends of the super capacitor

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)了雙向DC-DC變換器的直流牽引網(wǎng)電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)控制策略和逆變并網(wǎng)的空間矢量控制策略。在matlab/simulink中搭建了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，模擬列車的實(shí)際運(yùn)行狀況，仿真結(jié)果驗(yàn)證超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)電壓和控制策略的可行性，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)能夠逆變一部分升高的牽引網(wǎng)電壓，減少車載超級(jí)電容的體積。

[1] 張秋瑞，葛寶明，畢大強(qiáng). 超級(jí)電容在地鐵制動(dòng)能量回收中的應(yīng)用研究[J].電氣化鐵道，2012，23（2）.

ZHANG Qiurui，GE Bbaoming，BI Daqiang.Application of super capacitor braking energy recovery in the subway[J].Electrified Railway，2012，23（2）.

[2] 張慧研，韋統(tǒng)展，齊智平.超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（8） ： 92-96.

ZHANG Huiyan，WEI Tongzhan，QI Zhiping.Super capacitor energy storage device research[J].Power System Technology，2006，30（8）：92-96.

[3] Hase S，Konishi T，Okui A， et al. Fundam-ental System for DC Electric Railway System[C] //Power Conversion Conference，2005，3：1456-1459.

[4] 劉冠男，張相軍. 基于超級(jí)電容儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器控制模型分析[J]. 電力電子技術(shù)，2013，47（10）：81-83.

LIU Guannan，ZHANG Xiangjun.With super capacitor energy storage bidirectional DC / DC converter control model[J].Power Electronics Technology，2013，47（10）：81-83.

[5] 王雪迪，楊中平. 超級(jí)電容在城市軌道交通中改善電網(wǎng)電壓的研究[J]. 電氣傳動(dòng)，2009，39（3）：77-80.

WANG Xuedi，YANG Zhongping.Improvement of the super capacitor voltage grid in Urban Rail Transit[J].Electric Drive，2009，39（3）：77-80.

[6] 宋層，王欣，龔曉妍. 基于無(wú)速度傳感器的地鐵永磁牽引電機(jī)SVPWM控制仿真[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（5）.

Song Xin，Wang Xin，Gong Xiaoyan. SVPWM control simulation of Metro permanent magnet traction motor based on speed sensorless [J]. Journal of New Industrialization，2016，6 （5）.

[7] 曾彭賽莊，朱曉青，秦斌，等. 基于SVPWM控制的地鐵再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)的仿真研究[J]. 新型工業(yè)化，2015（3）：20-27.

Peng Saizhuang ，Zhu Xiaoqing，Qin Bin，et al. SVPWM control of Metro regenerative braking energy absorption simulation research of [J]. Journal of New Industrialization，2015（3）： 20-27.

Coordinated Control of Vehicle Mounted Super Capacitor Energy Storage System and Inverter Feedback System

CAO Cheng-qi, WANG Xin, QIN Bin, ZHANG Kai, LIANG Feng
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

The distance between the subway station is relatively close, and the frequent starting and braking of the locomotive cause the excessive fl uctuation of DC traction network and a large amount of regenerative braking energy. In order to solve this problem, a bidirectional DC-DC controlled super capacitor energy storage system and an inverter feedback system are used to coordinate the control of the DC traction network voltage and the utilization of regenerative braking energy. The double PI control strategy of the voltage outer loop and current inner loop of the bidirectional DC-DC converter is established, and the space vector control strategy is adopted in the inverter grid connected system. Build a vehicle simulation model of super capacitor energy storage system and feedback system, the simulation results verify the super capacitor energy storage system absorbs the regenerative braking energy, effectively restrain the traction network voltage inverter system can consume part of the increased traction network voltage, reduce the volume of super capacitor.

Urban Rail Transit; Ultra-capacitors; Bi-directional DC-DC converters; Inverse feedback

曹成琦，王欣，秦斌，等.車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變回饋系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（10）：10-14.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.10.002

: CAO Cheng-qi, WANG Xin, QIN Bin, et al. Coordinated Control of Vehicle Mounted Super Capacitor Energy Storage System and Inverter Feedback System[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10)： 10-14.

國(guó)家自然科學(xué)基金（61074067，21106036），湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2014FJ2018）

曹成琦（1990-），男，湖南工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化；王欣（1971-），女，博士，教授，主要研究方向：復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制、能量管理、機(jī)器學(xué)習(xí)；秦斌（1963-），男，博士，教授，主要研究方向：復(fù)雜工業(yè)化過(guò)程建模與優(yōu)化控制；張凱（1990-），男 ，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)；梁楓（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：復(fù)雜電氣系統(tǒng)信息集成和協(xié)調(diào)控制