陳裕楠，童 翔，金雪豐

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2MW城軌交通再生制動(dòng)能量存儲(chǔ)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳裕楠，童 翔，金雪豐

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

地鐵列車在制動(dòng)的過(guò)程中，再生制動(dòng)能量通過(guò)機(jī)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(dòng)制動(dòng)頻繁，該部分制動(dòng)能量非常可觀，調(diào)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(nèi)的溫升，同時(shí)造成了能量的浪費(fèi)。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者自行設(shè)計(jì)了一套基于超級(jí)電容的2MW再生能儲(chǔ)裝置，將列車制動(dòng)的能量吸收并儲(chǔ)存起來(lái)，在直流網(wǎng)壓過(guò)低時(shí)，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(shí)降低了能耗和成本。筆者通過(guò)計(jì)算對(duì)主要的元器件進(jìn)行選型，并根據(jù)型號(hào)搭建儲(chǔ)能裝置的Buck—Boost電路模型進(jìn)行仿真計(jì)算儲(chǔ)能裝置在充放電時(shí)的電壓電流波形，分析波形，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

再生制動(dòng) 2MW儲(chǔ)能裝置 Buck-Boost電路

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(fù)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(jí)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(jìn)行接通和分?jǐn)?，并進(jìn)行主回路過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)。柜內(nèi)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(jìn)線端過(guò)壓和雷電沖擊，直流快速斷路器主要對(duì)正極回路進(jìn)行接通、分?jǐn)嗪瓦^(guò)流保護(hù)。

聯(lián)絡(luò)柜：主要完成其他柜體間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)、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(nèi)配備電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)（DS1）、接觸器（KM1、KM2）、預(yù)充電接觸器（KM3）、預(yù)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(duì)系統(tǒng)充電和放電過(guò)程中的電流進(jìn)行雙向變換和控制，該部分采用4組并聯(lián)的形式，設(shè)備內(nèi)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(shí)對(duì)超級(jí)電容強(qiáng)制放電。柜內(nèi)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(jí)電容柜（1#-5#）：配置超級(jí)電容陣列，完成電能的存儲(chǔ)。

負(fù)極隔離柜：主要完成系統(tǒng)與負(fù)極母線的隔離，柜內(nèi)配備電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)（DS2）及其他輔助元器件。

1.2 系統(tǒng)原理

城軌車輛在制動(dòng)時(shí)，其制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能通過(guò)機(jī)車變流器向供電線網(wǎng)供電，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到直流母線電壓升高，并達(dá)到閥值（850V）時(shí)，系統(tǒng)投入工作，在電壓電流受控的情況下，將電能轉(zhuǎn)變成電場(chǎng)能量，儲(chǔ)存在超級(jí)電容陳列中，降低接觸網(wǎng)電壓；城軌車輛再加速或牽引時(shí)，超級(jí)電容陳列通過(guò)DC-DC變換器向直流母線放電，為城軌車輛提供運(yùn)行的峰值能量。

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

待機(jī)模式：DS2、DS1合閘，KM4、KM5合閘，KM6、KM7分閘，HSCB合閘；由于超級(jí)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(chǔ)能元件在應(yīng)用中需要對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行預(yù)儲(chǔ)能，因此需要將接觸器KM3合閘，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行預(yù)充電并達(dá)到一定深度后，主令接觸器KM1、KM2閉合，接觸器KM3分閘，完成預(yù)充電過(guò)程，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式。

充電模式：在城軌車輛制動(dòng)時(shí)，直流母線電壓升至閥值，系統(tǒng)進(jìn)入充電模式，牽引網(wǎng)側(cè)通過(guò)DC-DC變換器向超級(jí)電容側(cè)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(guò)程，在充電模式初期，以額定最大充電電流充電，在超級(jí)電容端電壓進(jìn)入最高額定電壓范圍時(shí)，自動(dòng)減小充電電流，具體控制策略見(jiàn)2.2節(jié)。

放電模式：在城軌車輛在加速和牽引時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入放電模式，超級(jí)電容側(cè)向牽引網(wǎng)側(cè)放電，DC-DC變換器工作與boost模式，斬波升壓對(duì)牽引網(wǎng)側(cè)放電并控制放電過(guò)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(jí)電容放電深度時(shí)，自動(dòng)減小放電電流，具體控制策略見(jiàn)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(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、主令接觸器、IGBT、超級(jí)電容等損壞或DC變換柜和超級(jí)電容柜溫升過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)緊急停機(jī)，主回路分?jǐn)喔綦x，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(cè)額定電壓：750 V

牽引網(wǎng)側(cè)額定電流：2667 A

超級(jí)電容側(cè)額定電壓500 V

超級(jí)電容器組工作范圍：200～500 V

超級(jí)電容側(cè)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(jìn)行組合，為減小器件的電流應(yīng)力和紋波，采用四重并聯(lián)的方式（如圖2所示），同時(shí)配備直流變換控制器、L型低通濾波器和電壓電流的保護(hù)器件，實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞；其中DC+和DC+(轉(zhuǎn)換)為輸入輸出兩端，DC-為系統(tǒng)公共端（一般為系統(tǒng)負(fù)極）。系統(tǒng)處于充電模式時(shí)，DC/DC直流變換器工作于buck狀態(tài)，系統(tǒng)處于放電模式時(shí)，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(jiàn)2.3節(jié)）對(duì)開(kāi)關(guān)器件（T1~T8）的控制門極輸出脈沖信號(hào)，控制四個(gè)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(cè)和變換器側(cè)之間的傳播，同時(shí)濾波電感（LL1）還防止?fàn)恳W(wǎng)的峰值電流對(duì)變換器的沖擊，支撐電容（FC1）在系統(tǒng)充電時(shí)也起到能量存儲(chǔ)的作用。

2.2 控制策略

圖3是儲(chǔ)能裝置的控制流程圖，控制的主要目的是減少超級(jí)電容充放電的電壓波動(dòng)，以及還要限制充放電電流，避免過(guò)大的電流損壞器件，另一方面還要將超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置控制在一個(gè)合理的范圍，既能提供一定的功率輸出，同時(shí)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(nèi)環(huán)雙閉環(huán)串極控制結(jié)構(gòu)。列車的運(yùn)行狀態(tài)有牽引和制動(dòng)特性曲線唯一確定，列車速度與牽引電機(jī)的電壓，電流一一對(duì)應(yīng)，即通過(guò)列車的速度就可以確定直流牽引網(wǎng)電壓的參考值。控制原理是電壓給定與電壓反饋比較，得到電壓誤差給電壓調(diào)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(guò)電流調(diào)節(jié)器，通過(guò)PWM控制得到驅(qū)動(dòng)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(huì)根據(jù)充電和放電工況的不同而改變。綜上，當(dāng)列車牽引時(shí)參考電壓U=740 V，即當(dāng)網(wǎng)壓低于U=740 V 時(shí)，超級(jí)電容放電；當(dāng)列車再生制動(dòng)時(shí)參考電壓U=770 V ，即當(dāng)網(wǎng)壓高于U=770 V 時(shí)，超級(jí)電容開(kāi)始充電。此外，還要估算檢測(cè)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(guò)這種方式，升壓和降壓變換器可以分不同的情況進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

3 超級(jí)電容陣列

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置所選用的單個(gè)超級(jí)電容規(guī)格為125V/63F，要實(shí)現(xiàn)2MW的功率，選擇功率約束法來(lái)計(jì)算所需的超級(jí)電容陣列數(shù)。

功率約束法是為驗(yàn)證超級(jí)電容組的功率處理能力，在一定的時(shí)間T內(nèi)，對(duì)超級(jí)電容組進(jìn)行某一恒定功率下的充電或放電，達(dá)到對(duì)指定能量的吸收。

假設(shè)超級(jí)電容組由n串m并組成，對(duì)單個(gè)電容器有：

設(shè)充電起始時(shí)刻:

uYt0=U/2

經(jīng)過(guò)時(shí)間，充電結(jié)束，超級(jí)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(jí)電容陣列滿足：

對(duì)于750 V直流供電網(wǎng)，電壓波動(dòng)范圍600 V～900 V，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的額定電壓為500 V?？稍O(shè)計(jì)超級(jí)電容組的最高端電壓為625 V得，n=5，m=18；共需90個(gè)電容器模塊，超級(jí)電容器組規(guī)格為625 V/226.8F，既滿足設(shè)計(jì)要求，又節(jié)約了成本。

4 系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)與測(cè)試

4.1 24脈整流機(jī)組

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

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

4.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置充放電仿真計(jì)算

4.2.1 恒流充電模式仿真計(jì)算

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置充電時(shí)，圖2等效為buck電路，T2,T4,T6,T8號(hào)IGBT截止，T1,T3,T5,T7號(hào)IGBT周期性導(dǎo)通，則充電時(shí)的電路可等效為圖5所示：

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

圖6為仿真計(jì)算的結(jié)果。

由此可知△=△×C/，超級(jí)電容器組的參數(shù)為625 V/226.8F，△取超級(jí)電容器組的額定電壓500V，則△=500×226.8/4000=28.35 s，即理論上超級(jí)電容儲(chǔ)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(jì)算的結(jié)果相符。

但實(shí)際上，超級(jí)電容儲(chǔ)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(dá)到快充的效果，并非一直都是恒流充電，故在實(shí)際中，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置充滿電的時(shí)間要大于28.35 s。

4.2.2 放電模式仿真計(jì)算

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置放電時(shí)，圖2等效為boost電路，T1,T3,T5,T7號(hào)IGBT截止，T2,T4,T6,T8號(hào)IGBT周期性導(dǎo)通，則充電時(shí)的電路可等效為圖7所示：

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

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了基于雙向Buck-Boost電路的2MW超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)主要的電路元器件進(jìn)行計(jì)算選型，并深入研究雙向Buck-Boost電路，等效計(jì)算充放電兩種模式下的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的電壓和電流，初步達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)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(hù)。