復(fù)合型儲能吸收回饋裝置在地鐵試驗線牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用

文/索紅亮 婁麗麗

1 引言

作為聯(lián)系直流牽引網(wǎng)和超級電容及制動電阻的中間轉(zhuǎn)換媒介，雙向直流變換器的選擇至關(guān)重要，由于地鐵軌道交通直流牽引網(wǎng)電壓等級高，而且輸出電流大，所以采用三電平雙向直流變換器調(diào)整超級電容和制動電阻的充放電電流大小。三電平雙向直流變換器相對于傳統(tǒng)兩電平直流變換器，其主要優(yōu)勢在于：開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力是兩電平直流變換器的1/2，且可以大大減小輸出電感的體積、降低動態(tài)響應(yīng)時間；正是由于這兩個優(yōu)點，三電平雙向直流變換器在高直流電壓以及低壓大電流等場合應(yīng)用前景廣闊。

圖1：三電平雙向直流變換器超級電容器組充電控制邏輯控制框圖

2 三電平雙向直流變換器

2.1 工作原理

雙向直流變換器作為聯(lián)系直流牽引網(wǎng)和超級電容及制動電阻的中間轉(zhuǎn)換媒介，由于地鐵軌道交通直流牽引網(wǎng)電壓等級高，而且輸出電流大，所以采用三電平雙向直流變換器調(diào)整超級電容和制動電阻的充放電電流大小。三電平雙向直流變換器相對于傳統(tǒng)兩電平直流變換器，其主要優(yōu)勢在于：開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力是兩電平直流變換器的1/2，且可以大大減小輸出電感的體積、降低動態(tài)響應(yīng)時間。三電平雙向直流變換器拓撲，輸出側(cè)接超級電容或者電阻。其中輸入端直流電源，對應(yīng)于地鐵軌道交通牽引網(wǎng)，三電平雙向直流變換器工作在buck和boost兩種狀態(tài)時，其區(qū)別僅為電感電流方向相反。

2.2 外特性分析

一方面兩電平變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入端高電壓，而三電平雙向直流變換器的具有開關(guān)管電壓應(yīng)力只有輸入端高電壓的一半，這在IGBT器件選型上三電平變換器是一大優(yōu)勢，另一方面三電平雙向直流變換器輸出端電壓與兩電平相比，由0、UH/2 和UH 三種電平擬合而成，輸出等效開關(guān)頻率是兩電平雙向直流變換器的2倍，輸出電壓的交流分量比兩電平小很多，在輸出電流紋波不變的情況下，能有效減小電感體積，提高變換器的動態(tài)性能及效率。

2.3 控制策略

在地鐵軌道交通中，復(fù)合型儲能吸收裝置連續(xù)不斷地工作在充電狀態(tài)，保持狀態(tài)，放電狀態(tài)，通過對三電平雙向直流變換器控制進行狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)能量的雙向流動，起到節(jié)能和穩(wěn)壓的作用。

根據(jù)圖1所示，外環(huán)為直流牽引網(wǎng)電壓環(huán)，檢測牽引網(wǎng)總電壓值作為反饋，和額定牽引網(wǎng)電壓指令進行比較后，經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)之后，送入電壓環(huán)限幅器，其作用是保護超級電容器組或者制動電阻因超出功率而損壞，經(jīng)限幅后作為超級電容器組或者制動電阻的充放電電流參考值；內(nèi)環(huán)為充放電電流環(huán)，電流環(huán)的參考值為牽引網(wǎng)電壓外環(huán)輸出值，如果是超級電容儲能，則還要加入超級電容額定電壓的限定，即超級額定電壓與超級電容反饋電壓值做比較后，作為內(nèi)環(huán)電流的限定，當超級電容電壓值大于或等于額定電壓值值時，限定Iref=0，當超級電容電壓值小于額定電壓值時，再根據(jù)Iref的大小進行判定，當Iref>0時充電，Iref<0時放電，檢測變換器電感電流值作為反饋，和電壓外環(huán)的輸出值進行比較后，經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)之后，送入電流環(huán)限流器，其作用是限定了驅(qū)動脈沖占空比處于一定范圍，保證電容器組端口電壓在最大充電限制電壓以內(nèi)，經(jīng)限流后作為超級電容器組或者制動電阻的端口電壓信號；另外需要直流電容中點電壓均衡控制環(huán)來保證變流器在工作過程中各器件承受的電壓應(yīng)力始終為直流牽引網(wǎng)電壓的1/2，檢測直流上、下電容電壓值，計算出偏差值，經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)之后，送入均壓限幅器，其作用是限定了調(diào)整直流電容電壓均衡控制驅(qū)動脈沖占空比處于一定范圍，保證變流器在工作過程中各器件承受的電壓應(yīng)力始終為直流牽引網(wǎng)電壓的1/2，經(jīng)均壓限幅后與端口電壓信號進行擬合，再與牽引網(wǎng)電壓進行比較分別得到Q1、Q2、Q3、Q4的驅(qū)動脈沖，開關(guān)管交錯互補控制：該變換器中四個開關(guān)管應(yīng)該采取如下的驅(qū)動信號：buck模式下，Q2和Q3關(guān)斷，驅(qū)動管是Q1和Q4，Q1與Q4交錯工作，驅(qū)動信號相差180°；boost 模式下，Q1和Q4關(guān)斷，驅(qū)動管是Q2和Q3，Q2與Q3交錯工作，驅(qū)動信號相差180°。

3 結(jié)論

本文基于三電平雙向直流變換器的結(jié)構(gòu)特點和理論分析，結(jié)合制動電阻+超級電容混合儲能吸收裝置，研究采用三電平雙向直流變換器的控制策略，控制直流電容中點電壓始終為輸入端電壓的一半，實現(xiàn)了降低器件關(guān)斷電壓應(yīng)力到輸入電壓1/2，有利于IGBT的器件選型。