索紅亮 婁麗麗

摘要：本文詳細(xì)介紹了對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中時(shí)的控制策略，以及通過(guò)MATLAB仿真分析對(duì)三電平雙向DC-DC變換器的控制策略進(jìn)行了有效驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能吸收;三電平;控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）12-0094-02

0 引言

當(dāng)?shù)罔F機(jī)車(chē)剎車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生再生制動(dòng)電能，導(dǎo)致?tīng)恳W(wǎng)壓波動(dòng)過(guò)大，這種情況會(huì)嚴(yán)重影響地鐵機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行。針對(duì)電阻能耗型方案存在的問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用于地鐵試驗(yàn)線的超級(jí)電容+制動(dòng)電阻的復(fù)合型儲(chǔ)能吸收回饋裝置，讓超級(jí)電容器組盡量?jī)?chǔ)能制動(dòng)電能，剩余制動(dòng)電能由電阻吸收，本文分析了三電平雙向直流變換器的控制策略，并在Matlab/Simulink 平臺(tái)上搭建仿真模型，驗(yàn)證了三電平雙向直流變換器拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)。

1 三電平雙向直流變換器控制策略

在地鐵軌道交通中，機(jī)車(chē)在制動(dòng)時(shí)，將自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能并反送回直流牽引網(wǎng)，在一定程度上減少能源浪費(fèi)，超級(jí)電容器組回收儲(chǔ)存地鐵機(jī)車(chē)再生制動(dòng)能量，多余部分再由制動(dòng)電阻消耗，從而改善牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)，避免地鐵機(jī)車(chē)再生制動(dòng)失效。機(jī)車(chē)加速時(shí)，由于線路阻抗的存在導(dǎo)致?tīng)恳W(wǎng)壓下降，超級(jí)電容器組將儲(chǔ)存的再生能量反饋回直流牽引網(wǎng)，達(dá)到能量再利用。復(fù)合型儲(chǔ)能吸收裝置連續(xù)不斷地工作在充電狀態(tài)，保持狀態(tài)，放電狀態(tài)，通過(guò)對(duì)三電平雙向直流變換器控制進(jìn)行狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，起到節(jié)能和穩(wěn)壓的作用。因此三電平雙向直流變換器控制策略包括三個(gè)控制環(huán)節(jié)：外環(huán)為直流牽引網(wǎng)輸入電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為超級(jí)電容器組電流環(huán)或者制動(dòng)電阻電流環(huán)，根據(jù)直流牽引網(wǎng)輸入電壓誤差的大小和正負(fù)確定充放電電流的大小和方向[1]。另外對(duì)于三電平雙向直流變換器來(lái)說(shuō)，為了保證工作過(guò)程中各器件承受的電壓應(yīng)力始終為直流牽引網(wǎng)輸入電壓的一半還需引入直流電容中點(diǎn)電壓均衡控制，使其工作電壓 Udc1=Udc2=UH/2。

2 仿真分析

復(fù)合型儲(chǔ)能吸收回饋系統(tǒng)包括電阻制動(dòng)吸收系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能回饋系統(tǒng)兩個(gè)部分，根據(jù)三電平雙向直流變換器工作原理和控制策略，利用Matlab/Simulink 工具建立三電平電阻制動(dòng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能回饋系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證控制策略的合理性和有效性[2]。如圖1所示為制動(dòng)電阻和超級(jí)電容復(fù)合型儲(chǔ)能吸收回饋裝置的主電路及控制系統(tǒng)。

圖中QS1、QS2為直流斷路器，用于接通接觸網(wǎng)直流母線;KM11、KM21為軟啟動(dòng)接觸器，RC1、RC2為軟啟動(dòng)電阻，在設(shè)備啟動(dòng)工作時(shí)能夠限制直流電容上電容Cd1、下電容Cd2的充電電流;KM11、KM22為主接觸器，在直流電容上電容Cd1、下電容Cd2充電完畢后接通;L是直流電抗，用于限制直流側(cè)故障電流的上升速率，為斷路器跳閘預(yù)留足夠時(shí)間;Q1、Q2、Q3、Q4是三電平雙向直流變流器的IGBT;L1、L2是濾波電抗，平滑流向超級(jí)電容柜的電流和制動(dòng)電阻的電流;R1-R4是對(duì)應(yīng)的四組制動(dòng)電阻，Csc是超級(jí)電容器組的總?cè)萘浚珻T和VT分別為電流電壓傳感器，采集直流母線電壓、超級(jí)電容電壓以及輸出電感電流，Rf為泄放電阻，當(dāng)超級(jí)電容檢修時(shí)，用于泄放超級(jí)電容儲(chǔ)存能量[3]。

當(dāng)機(jī)車(chē)制動(dòng)減速時(shí)，接觸（牽引網(wǎng)）網(wǎng)直流母線電壓抬升，裝置的吸收支路和儲(chǔ)能支路同時(shí)動(dòng)作，其中儲(chǔ)能支路的變換器柜工作在BUCK降壓模式，將直流母線上的能量存儲(chǔ)到超級(jí)電容儲(chǔ)能柜中，減緩直流母線電壓的抬升速率，同時(shí)吸收支路的斬波柜控制吸收的功率，使接觸網(wǎng)電壓限制在額定電壓（分別根據(jù)牽引網(wǎng)DC1500、DC750V設(shè)置）以?xún)?nèi);當(dāng)列車(chē)啟動(dòng)加速時(shí)，接觸網(wǎng)直流母線電壓拉低，此時(shí)，裝置的吸收支路變流器柜工作在BOOST升壓模式，將超級(jí)電容的能量回饋到接觸網(wǎng)中，限制了直流母線電壓的下降，而吸收支路則斷開(kāi)，不產(chǎn)生吸收作用。因此本裝置能夠穩(wěn)定直流母線電壓，同時(shí)減少制動(dòng)電阻消耗的能量和發(fā)熱，產(chǎn)生較明顯的節(jié)能降耗和改善直流接觸網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

利用Matlab/Simulink 工具建立了電阻制動(dòng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能吸收三電平控制系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明以牽引網(wǎng)直流母線電壓做外環(huán)，以超級(jí)電容充放電流（制動(dòng)電阻吸收電流）做內(nèi)環(huán)，同時(shí)兼?zhèn)渲绷麟娙葜悬c(diǎn)電壓均衡的三環(huán)控制系統(tǒng)性能，以達(dá)到抑制地鐵軌道牽引網(wǎng)直流母線波動(dòng)、滿足控制制動(dòng)電阻和超級(jí)電容系統(tǒng)充放電的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]胡斌，楊中平，黃先進(jìn)，等.用于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的三電平雙向直流變換器及其控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（8）：83-89.

[2]阮新波.三電平直流變換器及其軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的Matlab 仿真[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

Simulation and Analysis of Composite Energy Storage Absorption and Feedback Device Based on MATLAB

SUO Hong-liang， LOU Li-li

（Langfang Yingbo Electrical Co.， Ltd. ， Langfang Hebei? 065001）

Abstract：In this paper， the control strategy of supercapacitor energy storage system is introduced in detail， and the control strategy of three-level bidirectional DC-DC converter is validated by MATLAB simulation analysis.

Key words：energy storage and absorption; three-level; control strategy