基于Simulink的高速鐵路長大坡道儲能系統(tǒng)設(shè)計

楊 創(chuàng)，馮 鑒，李天成，孔維東

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，成都 610036）

0 引言

隨著西部大開發(fā)的快速推進，中國高速鐵路建設(shè)網(wǎng)不斷在地勢起伏較大、地形復(fù)雜多變的西部鋪開，不可避免地出現(xiàn)越來越多的長大坡道運行線路。以西成客專為例，其是中國運營長大坡道和大坡道較長、長大坡道占比較高、動車組列車失速較大、運行條件較困難的高鐵線路。面對此種困難的列車運行條件，鐵路總公司組織相關(guān)單位對多種車型動車組在西成客專新街場至鄠邑站間，長度45 km、坡度25‰的連續(xù)坡道上進行了全列切除電制動的坡道恒速運行制動熱負(fù)荷試驗。其中CRH380B型和CR400BF型動車組全列切除電制動恒速運行試驗中出現(xiàn)車軸盤對應(yīng)閘片溫度超標(biāo)的情況，因此動車組列車在長大坡道行駛時必須保證再生制動系統(tǒng)能正常運行。但在如此的長大下坡情況頻繁使用再生制動[1]，將造成接觸網(wǎng)電壓明顯上升，導(dǎo)致供電臂末端網(wǎng)壓過高，當(dāng)電壓超出正常范圍，將會引起列車再生制動失效，嚴(yán)重影響列車的運行安全[2]。同時，運行的動車組含有一定的高次諧波，容易造成牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振，引起供電質(zhì)量下降[3]，并對供電設(shè)備安全造成影響。

為了應(yīng)對西成客專新街場至鄠邑長大坡道的運行條件，避免列車再生制動失效，保證列車運行的安全，提高供電質(zhì)量，有必要對列車在此線路行駛時再生制動能量利用進行研究。目前通用的再生制動能量利用方式主要有兩種，一種是通過合理安排行車組織[4]，調(diào)整同一供電臂內(nèi)所回收的再生制動能量；另一種是通過加裝能量回饋裝置，將回饋的再生制動能量用于牽引配電系統(tǒng)內(nèi)部用電設(shè)備消耗[5-6]。前者靈活性較差，且不適用于本文研究的長大坡道線路，后者所回饋的電能質(zhì)量不佳，容易對用電設(shè)備造成損壞。因此，本文提出了設(shè)計一套長大坡道地面再生制動能量儲能系統(tǒng)，當(dāng)列車行駛在長大坡道下坡頻繁進行再生制動時，儲能系統(tǒng)直接對過剩的再生制動能量進行吸收存儲；列車行駛在長大坡道上坡增大牽引功率時，儲能系統(tǒng)釋放能量，從而提高再生能量利用率和供電質(zhì)量。

1 儲能系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)

適用于長大坡道的動車組地面再生制動能量儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。長大坡道地面超級電容儲能系統(tǒng)主要由變流器和超級電容儲能裝置兩部分組成。圖中，P1為長大坡道地面超級電容儲能系統(tǒng)變流器，變流器交流側(cè)連接于供電臂末端和軌道，直流側(cè)與儲能裝置DC/DC變換器[4]一端相連。變流器的作用是將供電網(wǎng)電壓以25∶1的電壓比進行降壓，供電網(wǎng)25 kV/50 Hz 的交流電壓被降壓至1 000 V/50 Hz，隨后通過四象限整流器將交流電整流為穩(wěn)定的2 000 V直流電壓。P2是動車組和接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)，列車通過受電弓將接觸網(wǎng)把25 kV/50 Hz的交流電引入到主變壓器，主變壓器連接列車牽引供電系統(tǒng)，驅(qū)動三相異步電機拖動動車組運行。當(dāng)列車行駛在牽引階段時，接觸網(wǎng)將電力提供給列車；當(dāng)列車行駛在制動階段時，將制動能量回饋至接觸電網(wǎng)。P3是超級電容儲能裝置，由于西成客專鄠邑-新場街行程約45 km坡度達(dá)到25‰的長大坡道。當(dāng)列車在長大坡道下坡行駛時，為了保持勻速行駛，需要采取制動措施，將產(chǎn)生大量的再生制動能量，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓偏高而超出正常范圍，此時超級電容儲能裝置吸收再生制動能量，降低接觸網(wǎng)末端電壓，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓恢復(fù)至正常范圍內(nèi)；當(dāng)列車在長大坡道上坡行駛時，為了保持勻速行駛，需要增大牽引制動功率，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓偏低而低于正常范圍，此時超級電容儲能裝置釋放電能，提高接觸網(wǎng)末端電壓，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓恢復(fù)至正常范圍內(nèi)。

圖1 長大坡道地面超級電容儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 工況分析

當(dāng)列車在長大坡道下坡行駛時，為了保持勻速行駛，需要采取制動措施，將產(chǎn)生大量的再生制動能量，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓偏高而超出正常范圍，此時超級電容儲能系統(tǒng)變流器裝置啟動，接觸網(wǎng)為超級電容進行充電，當(dāng)超級電容的儲能功率容量飽和后，關(guān)閉變流器裝置，停止對超級電容進行充電；當(dāng)列車在長大坡道上坡行駛時，為了保持勻速行駛，需要增大牽引制動功率，使得接觸網(wǎng)網(wǎng)壓偏低而低于正常范圍，此時超級電容儲能系統(tǒng)變流器裝置啟動，超級電容儲能系統(tǒng)釋放電能；當(dāng)此段線路沒有列車行駛時，超級電容儲能系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。根據(jù)上文描述可以得出，超級電容儲能系統(tǒng)控制器工作在充電、放電和待機3種不同的工況。充電和放電工況的能量流動方向如圖2所示。

圖2 充電和放電工況的能量流動方向

1.3 雙向DC/DC變換器設(shè)計

雙向DC/DC 變換器的種類繁多，主要分為隔離式和非隔離式兩種。隔離式雙向DC/DC 變換器的電路拓?fù)浞N類同樣繁多、各具特色，但總體都是全橋電路、半橋電路和推免電路的各種組合以及其變形電路的組合[5]。非隔離式電路簡單、器件少、變換效率高、方便控制，廣泛應(yīng)用于鋰電池儲能系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電等需要進行直流變換處理的應(yīng)用場合。因為這些優(yōu)點，超級電容儲能系統(tǒng)通常也選擇非隔離DC/DC 變換器。常用的非隔離式雙向DC/DC 變換器拓?fù)渲饕?4 種[6]：Buck/Boost 雙 向 DC/DC 變換器 、Buck-Boost 雙向DC/DC 變換器、Cuk 雙向 DC/DC 變換器和 Sepic-Zeta 雙向 DC/DC 變換器。Buck/Boost 雙向DC/DC 變換器相比于增加了電感的Cuk和Sepic-Zeta變換器，其轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、器件少且重量輕；Buck-Boost 變換器適用于大功率場合。因此綜合考慮，本文選擇Buck/Boost 雙向DC/DC 變換器作為超級電容儲能系統(tǒng)的主電路拓?fù)?，其電路如圖3所示。

圖3 超級電容儲能系統(tǒng)主電路拓?fù)?/p>

2 儲能系統(tǒng)控制方法與仿真分析

2.1 儲能系統(tǒng)控制方法

對儲能系統(tǒng)進行充放電時，充電電流或電壓過大都會對儲能裝置造成破壞，同時還要維持接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的穩(wěn)定，因此在控制系統(tǒng)中引入電流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器。儲能裝置的控制策略如圖4所示。具體控制思路如下：通過接觸網(wǎng)末端網(wǎng)壓Umd和饋線電流Ik判斷儲能系統(tǒng)的工作狀況，超級電容進行恒功率充電，充電功率P 與通過采樣獲得直流側(cè)的實際電壓Ud作商，送入PI 調(diào)節(jié)器輸出值作為超級電容電流的電流期望值Il*，該值再與實際電流值Il作差送入PI 調(diào)節(jié)器并進行限幅后，進行PWM調(diào)制，獲得控制開關(guān)的脈沖信號。其中，超級電容電流的期望值為最大充電與放電功率對應(yīng)的電流值。儲能系統(tǒng)的控制框圖如圖5所示。

圖4 儲能系統(tǒng)控制策略

2.2 仿真分析

接觸網(wǎng)采用帶回流線的直接供電方式，由于鄠邑-新場街間下行線K72+142至K72+335、上行線K72+330至K72+136處設(shè)置有接觸網(wǎng)分相，因此供電臂長度以22 km為例進行仿真分析。而動車組運行的符合則以電流源進行模擬。具體的仿真參數(shù)如表1所示。

圖5 儲能系統(tǒng)控制框圖

表1 仿真參數(shù)

以下仿真的主要目的是驗證儲能系統(tǒng)能夠達(dá)到充放電目標(biāo)，因此在設(shè)置充放電時間時，以短時間為例子[7]。

（1）充電工況仿真分析

當(dāng)動車組列車行駛在長大坡道下坡時，為了保持恒速行駛，列車進行再生制動，接觸網(wǎng)末端電壓升高，此時儲能系統(tǒng)處于充電工況[8]。列車以240 km/h 恒速運行，在1 s 投入超級電容儲能系統(tǒng)，直接以最大功率5 800 kW 進行充電。充電工況下，接觸網(wǎng)末端電壓和儲能裝置電流波形如圖6所示。由圖可以看出，在儲能系統(tǒng)投入使用前，接觸網(wǎng)末端的電壓為28.9 kV 左右；投入儲能系統(tǒng)后，接觸網(wǎng)末端電壓快速下降，降低至27.8 kV左右，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓降低至正常范圍之內(nèi)，從而避免了列車再生制動失效，保證列車運行的安全[9]。

圖6 充電工況接觸網(wǎng)末端電壓和儲能裝置電流波形

（2）放電工況仿真分析

當(dāng)動車組列車行駛在長大坡道上坡時，為了保持恒速行駛，列車增大牽引功率，接觸網(wǎng)末端電壓降低，此時儲能系統(tǒng)處于放電工況[10]。列車以240 km/h 恒速運行，在1 s 投入超級電容儲能系統(tǒng)，直接以最大功率5 800 kW 進行恒功率放電。放電工況下，接觸網(wǎng)末端電壓和儲能裝置電流波形如圖7所示。由圖可以看出，在儲能系統(tǒng)投入使用前，接觸網(wǎng)末端電壓為23.2 kV左右；投入儲能系統(tǒng)后，接觸網(wǎng)末端電壓快速上升，提高至24.1 kV左右，達(dá)到了支撐網(wǎng)壓上升的效果，且充分利用了列車再生制動能量[11]。

圖7 放電工況接觸網(wǎng)末端電壓和儲能裝置電流波形

3 結(jié)束語

本文通過分析動車組列車行駛在長大坡道上存在再生制動失效和供電質(zhì)量下降的問題，設(shè)計了一套長大坡道地面再生制動能量儲能系統(tǒng)。利用Matlab/Simulink 搭建長大坡道地面再生制動能量儲能系統(tǒng)平臺，驗證儲能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和控制方法的正確性，得出以下結(jié)論：

（1）儲能系統(tǒng)能有效抑制因持續(xù)進行再生制動造成的接觸網(wǎng)網(wǎng)壓抬升，從而避免列車再生制動失效，保證列車運行安全；

（2）當(dāng)接觸網(wǎng)牽引符合增大造成網(wǎng)壓降低，儲能系統(tǒng)能夠有效支撐接觸網(wǎng)網(wǎng)壓上升，提高再生能量的利用率，且一定程度上提升了供電網(wǎng)供電質(zhì)量。