超级电容在地铁制动能量回收中的应用

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1、专业知识分享版摘要：针对机车启动、制动对直流母线电压的影响，提出一种基于超级电容的储能装置，该装置通过双向DC-DC变换器为列车提供牵引或者吸收再生制动过程的暂态能量，分析了超级电容储能系统充放电控制策略，搭建了一个750V直流电气化铁路仿真平台，仿真结果验证了超级电容储能系统能够维持直流母线电压稳定，有效地防止城市轨道交通供电系统中电力负荷波动和避免再生制动能量的浪费。关键词：再生制动能量；超级电容；储能系统；双向直流变换器0引言随着城市人口的膨胀，城市轨道交通显得越来越重要。在城市轨道交通中，直-交变压变频的传动方式已经普遍

2、采用，再生制动成为列车常用制动时的主要制动方式，制动时可以实现将机械能转化为电能，使得一部分能量能够回馈给电网，而列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，从能量互换的角度看，制动能量相当可观[1]。由于轨道交通存在线路阻抗，列车加速，启动电流较大，导致牵引网电压下降；制动时，再生制动能量会反馈牵引网，使电压抬升，造成直流母线电压波动，为防止再生制动失效，这些再生能量除了按一定比例被其他相邻车吸收利用外，剩余部分主要被列车或者线路上的吸收电阻以发热的方式消耗吸收掉，这必将带来隧道和站台内的温升问题，同时也会增大站内环

3、境控制装置的负担，造成大量的能源浪费，并使地铁的建设费用和运行费用增加。为了解决上述问题，可以在地铁直流供电系统中加入储能装置，它在机车再生制动时吸收能量，避免能量浪费；在机车启动或加速时提供部分功率支持，减少牵引网电压波动。目前，制动能量吸收方案主要有电阻耗能型、蓄电池储能型、电容储能型、飞轮储能型和超导储能型等5使命：加速中国职业化进程联系电话：0755-86153458专业知识分享版种[1，2]。电阻耗能只能将电能转化为热能排掉，造成能源浪费；蓄电池储能系统的电池使用寿命不够长，大量使用电池对环境造成污染；飞轮储能质量很大

4、，摩擦耗能问题严重，飞轮工作寿命短；超导储能装置的单位体积储存的能量较低，在实用技术上有一定的困难。而超级电容被广泛地应用于储能装置中，它具有快速充放电、低污染、高效率和维护费用低[3，7]等特点。文献[4]研究了超级电容器的原理与特性，主要对其建模以及充放电实验进行研究，文献[5，6]研究了超级电容器储能系统的设计方案，主要对双向DC-DC变换器的工作原理进行分析，本文根据超级电容的特点，研究利用超级电容器吸收多余的再生制动能量，避免再生制动能量对电网的冲击。采用牵引直流侧电压作为能量控制策略依据，详细介绍了参考电压的给定方法

5、，提出双向DC-DC变换器的电压外环、电流内环的控制方法，搭建了一个750V直流电气化铁路等效模型仿真平台，并通过仿真验证了控制方法的可行性和有效性。1超级电容储能系统1.1电路结构城市轨道车辆再生制动时，牵引网电压升高，在启动或者加速时牵引网电压降低，通过控制并接在直流侧的双向DC-DC变换器，对超级电容充电放电，可以实现“削峰填谷”、平衡直流侧电压和能量回收再利用的作用。为了改善整流装置的高次谐波对电网、通讯等设备的影响，目前城市轨道交通牵引供电系统中的整流机组广泛采用24脉动整流电路给机车供电。1.224脉动整流电路24脉

6、动整流机组是由2套12脉动整流机组构成，当供给2个12脉动整流器的整流变压器高压电网侧并联的绕组分别采用±7.5外延三角形连接时，2套整流器并联运行即可构成等效24脉动整流器，图1是24脉动整流电路直流侧电压输出波形，可以看出一个周期有24个波头，电压脉动较小，比较平稳。图2是24脉动整流电路网侧a相电流谐波分析，从图2中可以看出，网侧电流接近正弦波，谐波非常小，较明显的为第23次和第25次谐波，与文献[8]中分析24脉动整流电路的电网侧合成电流仅含有24n±1（n使命：加速中国职业化进程联系电话：0755-86153458专业

7、知识分享版为正整数）次谐波相吻合，总畸变率仅为1.25%。1.3双向DC-DC变换器双向DC-DC变换器在功能上相当于Boost变换器和Buck变换器的组合，可以分为隔离式和非隔离式2种，其中，非隔离式器件少、效率高、控制简单，广泛用于直流母线变化范围大且需进行直流变换处理的中小功率应用场合。在超级电容储能装置中，通常选择非隔离式变换器。图3是双向DC-DC变换器主要工作状态：列车牵引或加速时，电机需要较大功率，变换器等效为升压斩波器，电流流向直流侧，给直流母线充电，如图3a所示；列车惰行时，变换器停止工作，处于备用保持状态；列

8、车制动或减速时，牵引电机向直流电网反馈能量，使线网电压抬高，超级电容器吸收回馈到直流母线上的能量，此时双向DC-DC变换器动作，等效为降压斩波器，从直流母线吸收能量，如图3b所示。通过以上3种状态切换，既可使直流电网电压避免大范围波动，改善供电质量，又将列车制动