2MW城軌交通再生制動能量存儲裝置設計與實現(xiàn)

陳裕楠，童 翔，金雪豐

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2MW城軌交通再生制動能量存儲裝置設計與實現(xiàn)

陳裕楠，童 翔，金雪豐

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

地鐵列車在制動的過程中，再生制動能量通過機車變頻裝置回饋到直流電網(wǎng)，致使電壓升高，由于站間距離短，列車啟動制動頻繁，該部分制動能量非?？捎^，調查顯示，這部分能量一部分被相鄰的列車按一定的比例吸收，其它部分被電阻吸收以發(fā)熱的形式向四周散發(fā)，不僅造成了隧道內的溫升，同時造成了能量的浪費。針對以上問題，筆者自行設計了一套基于超級電容的2MW再生能儲裝置，將列車制動的能量吸收并儲存起來，在直流網(wǎng)壓過低時，將能量釋放到電網(wǎng)，保證了直流電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，同時降低了能耗和成本。筆者通過計算對主要的元器件進行選型，并根據(jù)型號搭建儲能裝置的Buck—Boost電路模型進行仿真計算儲能裝置在充放電時的電壓電流波形，分析波形，基本達到了預期的設計目的。

再生制動 2MW儲能裝置 Buck-Boost電路

1 系統(tǒng)方案設計系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

并聯(lián)安裝于城軌車輛直流供電系統(tǒng)正負極之間，由直流斷路器柜、正極柜、直流變換柜(1#—4#)、接觸器柜和超級電容柜(1#—5#)組成，如圖1所示。

直流斷路器柜：主要將正極母線與系統(tǒng)進行接通和分斷，并進行主回路過流和過壓保護。柜內配置金屬氧化物避雷器（YH1）、直流快速斷路器（HSCB）和分流器(FL1)及其他輔助元件；其中金屬氧化物避雷器主要是防止系統(tǒng)進線端過壓和雷電沖擊，直流快速斷路器主要對正極回路進行接通、分斷和過流保護。

聯(lián)絡柜：主要完成其他柜體間的信號聯(lián)絡、系統(tǒng)與其他系統(tǒng)通信以及系統(tǒng)充放電主令控制。柜內配備電動隔離開關（DS1）、接觸器（KM1、KM2）、預充電接觸器（KM3）、預充電電阻（R1、R2）、常閉接觸器（KM6）、放電電阻（R3）以及其他輔助元件。

DC變換柜（1#-4#）：主要完成對系統(tǒng)充電和放電過程中的電流進行雙向變換和控制，該部分采用4組并聯(lián)的形式，設備內部配置情況節(jié)2.1節(jié)。

接觸器柜：主要完成系統(tǒng)充放電主令控制，系統(tǒng)檢修或故障時對超級電容強制放電。柜內配備主令接觸器（KM4、KM5）、放電接觸器（KM7）和大功率放電電阻陣列。

超級電容柜（1#-5#）：配置超級電容陣列，完成電能的存儲。

負極隔離柜：主要完成系統(tǒng)與負極母線的隔離，柜內配備電動隔離開關（DS2）及其他輔助元器件。

1.2 系統(tǒng)原理

城軌車輛在制動時，其制動動能轉換為電能通過機車變流器向供電線網(wǎng)供電，此時系統(tǒng)會檢測到直流母線電壓升高，并達到閥值（850V）時，系統(tǒng)投入工作，在電壓電流受控的情況下，將電能轉變成電場能量，儲存在超級電容陳列中，降低接觸網(wǎng)電壓；城軌車輛再加速或牽引時，超級電容陳列通過DC-DC變換器向直流母線放電，為城軌車輛提供運行的峰值能量。

系統(tǒng)在工作主要分四個模式，包括：待機模式、充電模式、放電模式和故障（維檢）模式，這四個模式的工作狀態(tài)如下：

待機模式：DS2、DS1合閘，KM4、KM5合閘，KM6、KM7分閘，HSCB合閘；由于超級電容的充放電特性與電解電容的特性相同，但由于其容值極大，作為儲能元件在應用中需要對超級電容進行預儲能，因此需要將接觸器KM3合閘，對超級電容進行預充電并達到一定深度后，主令接觸器KM1、KM2閉合，接觸器KM3分閘，完成預充電過程，系統(tǒng)進入待機模式。

充電模式：在城軌車輛制動時，直流母線電壓升至閥值，系統(tǒng)進入充電模式，牽引網(wǎng)側通過DC-DC變換器向超級電容側充電，DC-DC變換器工作于buck模式，抑制直流母線的電壓升高，控制充電過程，在充電模式初期，以額定最大充電電流充電，在超級電容端電壓進入最高額定電壓范圍時，自動減小充電電流，具體控制策略見2.2節(jié)。

放電模式：在城軌車輛在加速和牽引時，系統(tǒng)進入放電模式，超級電容側向牽引網(wǎng)側放電，DC-DC變換器工作與boost模式，斬波升壓對牽引網(wǎng)側放電并控制放電過程，在放電模式初期，以額定最大的放電電流放電，在接近超級電容放電深度時，自動減小放電電流，具體控制策略見2.2節(jié)。

故障（維檢）模式：在系統(tǒng)主要電器元件包括：直流快速斷路器、電動隔離開關、主令接觸器、IGBT、超級電容等損壞或DC變換柜和超級電容柜溫升過高時，系統(tǒng)緊急停機，主回路分斷隔離，退出工作狀態(tài)。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

額定功率： 2 MW

牽引網(wǎng)側額定電壓：750 V

牽引網(wǎng)側額定電流：2667 A

超級電容側額定電壓500 V

超級電容器組工作范圍：200～500 V

超級電容側額定電流（總）：4000 A

充電電流波紋：≤10%

放電電壓波紋：≤2%

1.4 主回路主要元件選型

系統(tǒng)主回路主要電氣元件選型如下表1。

2 DC/DC直流變換器

2.1 基本原理

DC/DC直流變換器將經(jīng)典的buck電路（降壓斬波電路）和boost電路（升壓斬波電路）進行組合，為減小器件的電流應力和紋波，采用四重并聯(lián)的方式（如圖2所示），同時配備直流變換控制器、L型低通濾波器和電壓電流的保護器件，實現(xiàn)能量的雙向傳遞；其中DC+和DC+(轉換)為輸入輸出兩端，DC-為系統(tǒng)公共端（一般為系統(tǒng)負極）。系統(tǒng)處于充電模式時，DC/DC直流變換器工作于buck狀態(tài)，系統(tǒng)處于放電模式時，DC/DC直流變換器工作于boost狀態(tài)。

直流變換控制器根據(jù)一定的控制策略（見2.3節(jié)）對開關器件（T1~T8）的控制門極輸出脈沖信號，控制四個并聯(lián)支路的充電或放電電流。

LC型低通濾波器主要是防止諧波在牽引網(wǎng)側和變換器側之間的傳播，同時濾波電感（LL1）還防止牽引網(wǎng)的峰值電流對變換器的沖擊，支撐電容（FC1）在系統(tǒng)充電時也起到能量存儲的作用。

2.2 控制策略

圖3是儲能裝置的控制流程圖，控制的主要目的是減少超級電容充放電的電壓波動，以及還要限制充放電電流，避免過大的電流損壞器件，另一方面還要將超級電容儲能裝置控制在一個合理的范圍，既能提供一定的功率輸出，同時保證有一定的吸收能量空間。

控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)，電流內環(huán)雙閉環(huán)串極控制結構。列車的運行狀態(tài)有牽引和制動特性曲線唯一確定，列車速度與牽引電機的電壓，電流一一對應，即通過列車的速度就可以確定直流牽引網(wǎng)電壓的參考值?？刂圃硎请妷航o定與電壓反饋比較，得到電壓誤差給電壓調節(jié)器輸出作為電流給定與電流反饋I比較，得到電流誤差經(jīng)過電流調節(jié)器，通過PWM控制得到驅動雙向DC/DC變換器IGBT的占空比。

直流參考電壓要兼顧充電模式和放電模式兩種工況，故直流參考電壓會根據(jù)充電和放電工況的不同而改變。綜上，當列車牽引時參考電壓U=740 V，即當網(wǎng)壓低于U=740 V 時，超級電容放電；當列車再生制動時參考電壓U=770 V ，即當網(wǎng)壓高于U=770 V 時，超級電容開始充電。此外，還要估算檢測到的直流電壓和參考電壓U的誤差，而參考電流是由式（1）確定：

式中，P和I是任意確定的常數(shù)，通過這種方式，升壓和降壓變換器可以分不同的情況進行恰當?shù)目刂啤?/p>

3 超級電容陣列

超級電容儲能裝置所選用的單個超級電容規(guī)格為125V/63F，要實現(xiàn)2MW的功率，選擇功率約束法來計算所需的超級電容陣列數(shù)。

功率約束法是為驗證超級電容組的功率處理能力，在一定的時間T內，對超級電容組進行某一恒定功率下的充電或放電，達到對指定能量的吸收。

假設超級電容組由n串m并組成，對單個電容器有：

設充電起始時刻:

uYt0=U/2

經(jīng)過時間，充電結束，超級電容電壓升為u(t0且。所采用的125 V/63F電容器，單體模塊的最大功率P=22471W。故超級電容陣列滿足：

對于750 V直流供電網(wǎng)，電壓波動范圍600 V～900 V，超級電容儲能裝置的額定電壓為500 V?？稍O計超級電容組的最高端電壓為625 V得，n=5，m=18；共需90個電容器模塊，超級電容器組規(guī)格為625 V/226.8F，既滿足設計要求，又節(jié)約了成本。

4 系統(tǒng)現(xiàn)實與測試

4.1 24脈整流機組

24脈整流電路是由兩個12脈整流機組組成，2個12脈整流器的整流變壓器高壓網(wǎng)側并聯(lián)繞組分別采用±7.5°外延三角形連接，2套并聯(lián)運行構成等效24脈整流器。圖4為24脈整流器直流網(wǎng)側電壓輸出波形。

由圖4可以看出直流網(wǎng)側電壓諧波非常小，紋波系數(shù)=（754-750）/2*750=0.27%，達到預期要求。

4.2 超級電容儲能裝置充放電仿真計算

4.2.1 恒流充電模式仿真計算

超級電容儲能裝置充電時，圖2等效為buck電路，T2,T4,T6,T8號IGBT截止，T1,T3,T5,T7號IGBT周期性導通，則充電時的電路可等效為圖5所示：

在仿真計算時，0為24脈整流器直流側750 V電壓，其他參數(shù)采用上文計算數(shù)據(jù)。充電模式設定為額定電流4000 A下的恒流充電，超級電容儲能裝置初始電壓為0。

圖6為仿真計算的結果。

由此可知△=△×C/，超級電容器組的參數(shù)為625 V/226.8F，△取超級電容器組的額定電壓500V，則△=500×226.8/4000=28.35 s，即理論上超級電容儲能裝置在空壓情況下，以額定4000 A電流恒流充電，28.35 s可以充至額定電壓，與仿真計算的結果相符。

但實際上，超級電容儲能裝置，在充電后期，隨著電壓的升高，充電效果減緩，并且在后期，為了達到快充的效果，并非一直都是恒流充電，故在實際中，超級電容儲能裝置充滿電的時間要大于28.35 s。

4.2.2 放電模式仿真計算

超級電容儲能裝置放電時，圖2等效為boost電路，T1,T3,T5,T7號IGBT截止，T2,T4,T6,T8號IGBT周期性導通，則充電時的電路可等效為圖7所示：

設定超級電容在額定500 V電壓下對系統(tǒng)放電，理論上至超級電容放電完全需要28.35 s，并且超級電容儲能裝置的電壓應該呈線性下降，但實際上，超級電容儲能裝置放電至一定的深度不再繼續(xù)放電，故實際上超級電容儲能裝置并不能放電完全，放電時間也比理論值大。放電模式下超級電容儲能裝置放電電壓仿真計算結果如圖8：

5 結束語

本文在介紹超級電容儲能裝置的基礎上，自行設計了基于雙向Buck-Boost電路的2MW超級電容儲能系統(tǒng)，對主要的電路元器件進行計算選型，并深入研究雙向Buck-Boost電路，等效計算充放電兩種模式下的超級電容儲能裝置的電壓和電流，初步達到了預期設計效果。

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Design and Implementation of 2MW Regenerative Braking Energy Storing Device of Urban Subway System

Chen Yunan, Tong Xiang, Jin Xuefeng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan430064, China)

During the process of regenerative braking of the subway, the regenerative energy feedback to DC power system by the frequency device of the train may cause the rise of voltage. The amount of regenerative energy is very high large because of the short distance between two stations and the frequent starting and braking. The survey shows that a part of regenerative energy is absorbed by the neighbouring train, and the other part is absorbed by resistance and release heat into the surrounding. It causes the rise of temperature in tunnel and waste of energy. To solve the above problem, the author presents a set of 2MW regenerative energy storing device based on super capacitor, which absorbs and stores the regenerative energy. When the voltage of DC power system drops, the device releases the storing energy into system to ensure the voltage stability and reduces the cost. The author determines the type of the main components by calculating. According to the parameter of the main components, the author constructs the Buck-boost circuit simulation model to calculate the waveform of voltage and circuit when the device absorbs and releases the regenerative braking energy. By analyzing the waveform, the author achieves the desired goal.

regenerative braking; 2MW energy storing device; Buck-Boost circuit

TM743

A

1003-4862（2016）03-0032-05

2015-07-12

陳裕楠(1989-), 男。研究方向：直流牽引保護。