城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统分析

城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统分析赵深，徐卓农中南林业科技大学计算机与信息工程学院长沙410004E-mail:[e-mail]摘要：主要探讨了超级电容储能系统能量管理系统的控制方法。首先对超级电容储能系统进行分析；然后在根据超级电容储能系统的数学模型，给出了超级电容储能系统充放电控制方法，提出了一种超级电容储能系统能量管理的控制策略；最后，利用simulink仿真平台，模拟了电网网压变化，对超级电容储能系统进行仿真，验证了能量管理系统功能的有效性，为实际工程提供了理论指导和依据。关键词：超级电容再生制动能量能量管理RegeneratingEnergyStorageSystemforUrbanRailwayVehicleAnalysisZhaoShen,XuZhuonongSchoolofInformationScience&Engineering,CentralSouthUniversity,Changsha410004,HunanProvince,ChinaAbstract:Acontrolmethodofultra-capacitorenergystoragesystemenergymanagementsystemisdiscussedinthispaper.First,analysisofultra-capacitorenergystoragesystemstructure;thenamathematicalmodelbasedonultra-capacitorenergystoragesystem,giventhecontrolmethodofultra-capacitorenergystoragesystemcharging-discharging.Proposedacontrolstrategyforultra-capacitorenergystoragesystemenergymanagement.Finally,simulatingthepressurechangesofnetworkonthesimulinksimulationplatform.Thesupercapacitorenergystoragesystemsimulationtoverifytheeffectivenessofenergymanagementsystemfunctions.Thispaperprovidesatheoreticalbasisforthepracticalguidanceandengineering.KeyWords:Ultra-Capacitor,Regeneratingenergy,Energymanagement1.引言在全球倡导节约能源、保护环境的今天，轨道交通节能、环保的优点越来越受到人们的重视，大力发展城市轨道交通已成为世界各国的共识。城市轨道交通由于其运输量大，启、制动频繁，采用再生制动方式的电制动，进一步降低了列车的运行能耗，使轨道交通在节能运行方面的优势更加突出。同时，使用再生制动方式，列车产生的再生能量全部回馈到直流母线并供给同一供电区间内的其他车辆使用，节能的同时，也进一步降低了车辆运行的维护工作量，提高了车辆的运行可靠性[1]。再生制动能量吸收装置主要由电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型等几种方案[2]。超级电容具有充放电速度快、功率密度高、工作温度范围宽、环保无污染、使用寿命长等优点，非常适合应用于城市轨道列车再生制动能量的吸收装置中。2.超级电容储能系统本文以城市轨道交通再生制动地面式超级电容储能系统（SuperCapacitorEnergyStorageSystem）为研究对象。其基本结构如图1所示[3]。主要由两部分组成：一是超级电容器组，存储电能；二是能量变换装置双向DC-DC变换器。图1地面式超级电容储能系统结构图2.1超级电容器组超级电容器实质上具有一种复杂的电阻电容网络结构，是很多单体超级电容通过串、并联组合成的。在做储能器件时，超级电容器的工作状态以比较频繁的充放电为主，可以简化其中的超级电容为一个等效串联电阻𝑅0和一个理想电容𝐶0构成。假设超级电容器由n个特性一致的电容𝐶0串联成一条支路，再由m条相同的支路并联组成，则超级电容组的容量为C=(𝐶0×m)/n(1)等效内阻为r=(𝑅0×n)/m(2)这种RC等效模型简单，且能够较准确地反应出超级电容器在充放电过程中的外在电气特性，便于解析分析和数值计算。如果放电过程中，超级电容器组的电压从𝑈1变换至𝑈2，可得超级电容器组释放能量为E=12𝐶(𝑈12+𝑈22)(3)在已知列车牵引、制动能量，直流电网电压和超级电容单体参数，然后由式(1)(2)(3)确定超级电容器组中串并联电容个数，并联支路数，以及额定电压、电流等详细参数。2.2双向DC-DC变换器双向DC-DC变换器实现的功能相当于boost-buck变换器，变换器两端电压不变，但电流方向改变，实现能量转换。双向DC-DC变换器分为隔离式和非隔离式，非隔离式器件少、控制简单，广泛用于飞轮储能、风力发电等直流母线电压变化范围大，需要进行直流转换处理的中小功率应用场合。在超级电容储能系统中，通常选择非隔离式，见图2。主要工作在3个工作状态：列车制动时，网压上升，变换器等效为降压斩波器，把电网多余能量传递给超级电容器组；列车惰性时，变换器不工作，处于备用状态；列车牵引时，网压下降，变换器等效为升压斩波器，超级电容器将存储的能量反馈给列车，辅助列车启动。通过以上三个状态的轮替，即实现了能量的循环利用，同时，是直流电网电压避免了大范围波动，改善用电质量。图2双向DC-DC变换电路𝐿0=4𝑚𝐻𝐶1=0.01𝐹𝐿1=2.5𝑚𝐻R=0.0135Ω𝐶𝑆𝐶=44.444𝐹𝑈0=1600𝑉𝑅𝑒=0.05Ω𝑖0=𝑖𝐿=0;𝑢0=𝑢𝑆𝐶T1=1时𝐿0𝑑𝑖0𝑑𝑡=𝑢0−𝑖0𝑅𝑒−𝑢1𝐶1𝑑𝑢1𝑑𝑡=𝑖0−𝑖𝐿𝐿1𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡=𝑢1−𝑖𝐿𝑅−𝑢𝑆𝐶𝐶𝑆𝐶𝑑𝑢𝑆𝐶𝑑𝑡=𝑖𝐿T2时𝐿0𝑑𝑖0𝑑𝑡=𝑢0−𝑖0𝑅𝑒−𝑢1𝐶1𝑑𝑢1𝑑𝑡=𝑖0𝐿1𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡=−𝑖𝐿𝑅−𝑢𝑆𝐶𝐶𝑆𝐶𝑑𝑢𝑆𝐶𝑑𝑡=𝑖𝐿3.储能系统控制策略直流电网电压随列车运行状态的改变而变化，若列车运行模式为牵引-惰行-制动，则直流电网电压降低恒定上升，为了维持其恒定，选取𝑈0为控制变量，图3为双向DC-DC变换器的控制框图[4]。双向DC-DC变换器是二阶电路，有两个状态变量----电容电压和电感电流。根据最优控制理论,实现全状态反馈的系统是最优控制系统。因此，两种反馈信号的双闭环控制是符合最优控制规律的。控制系统采用电压、电流双闭环串级控制结构，外环是电压环，内环是电流环。对于电压环，当系统受到某种扰动，无论是电压变化还是其他扰动，都必须反映到输出端，使输出电压变化后，电压环才起作用，调节滞后，但却保证了电网电压在规定范围内波动。电流环动态特性好，响应速度快，可有效地消除由电容，电感等元件引起的扰动。图3双向DC-DC变换器控制框图列车的运行状态由牵引、制动特性曲线唯一决定，列车的运行速度与电机电流、电压一一对应，通过列车速度即可确定直流电网电压参考值𝑈0∗。控制原理是电压给定𝑈0∗与电压反馈𝑈0进行比较，得到的电压误差∆𝑈0经电压调节器输出作为电流给定𝐼𝐿∗，𝐼𝐿∗与电流反馈𝐼𝐿进行比较，得到的电流误差∆𝐼𝐿经电流调节器，通过PWM控制得到驱动双向DC-DC变换器IGBT的占空比。4.仿真结果分析本文将以广州地铁4号线参数为例，探讨如何利用吸收站式超级电容储能系统合理利用再生制动能量，改善直流电网电压。广州4号线参数[5]：列车编组为4M(A-B-B-A)，载荷条件为AW2载荷：170.34t；回转质量系数为3.5%；辅助设备消耗为44.55kW；列车基本阻力为20.286+0.3822v+0.002058v2(N/t)；坡道附加阻力为m×g×i（i为坡度）；列车运行模式为牵引惰行制动；线路阻抗为0.0288/km；回流阻抗为0.01678/km。假定列车从变电所驶出，超级电容的初始电压为600V，当线网电压低于1450V时，储能装置释放能量；在惰行期间，停止工作，处于备用保持状态；列车制动，线网电压高于1640V，超级电容储存能量，但由于容量有限；若电网电压继续上升，高于1650V，地面制动电阻则投入使用。首先，对4号线的实际情况仿真，即无超级电容储能系统。图4为电网电压（未加入超级电容）。牵引时，电压降低，最低电压为1160V；制动时，再生能量由地面电阻将再生能量转化为热能消耗掉，电网电压被稳定在1650V。V/Ut/s1400160012001800102030405060V/Ut/s1400160012001800201030405060图4电网电压变化（未加入超级电容储能系统）图5电网电压变化（加入超级电容储能系统）在现有装置基础上，加入超级电容储能装置后的电网电压的波形如图5所示，最低电压为1300V，制动时，再生能量首先由超级电容吸收，当达到额定值时，则由地面电阻消耗，受电弓电压同样被稳定在1650V上下，但相当一部分能量已转化为磁场能量存储在超级电容中。对有、无超级电容储能装置的直流电网最低电压进行对比，可以看出，电压上升了140V，这将很大程度改善电机的启动性能。另外,在加入超级电容储能装置后,变电所提供的能量是实际系统的87%，这不仅实现了能量的循环利用，同时可以降低地面制动电阻的额定功率及通风，散热额定容量。5.结语本文对城市轨道交通中再生制动能量吸收系统进行了研究。分析并设计了地面式超级电容储能装置，最后针对储能模式进行了建模与仿真，定性分析仿真结果，验证了系统功能的有效性，对实际中的问题有一定的指导和借鉴意义。参考文献[1]张文丽,李群湛,等.地铁列车再生制动节能仿真研究[J].变流技术与电力牵引,2008(3)41-44.[2]SoneS,AshiyaM.AnInnovativeTractionSystemfromtheViewpointofBraking[C]MInternationalConferenceonDevelopmentofMassTransitSystems,IEE1998,453:36-41.[3]刘伟.基于超级电容的地铁再生制动能量存储利用研究[D].西南交通大学硕士学位论文,2011.[4]NomuraM,TadanoY,YamadaT,etal.PerformanceofInverterwithElectricalDoubleLayerCapacitorforVectorControlledInductionMotorDrives[C]MIndustryApplicationsConf-erence,2005,2:1073-1080.[5]单雷,杨中平,郑琼林.直线电机轨道交通系统的地面电阻制动仿真[J].都市快轨交通,2006,19(4):40-43.