三电平地铁再生制动能量储能变流器研究
发布时间：2022-02-15
摘 要：地铁站间距小，车辆启停频繁，制动时车辆进行再生制动将机械能转化为电能反送至接触网，这部分能量若不能及时被邻近车辆吸收，将会抬升接触网电压，影响车辆正常运行，传统的办法是将这些能量消耗在电阻上，从而造成大量的电能浪费。本文提出一种以三电平双向 DC/DC 变流子系统和超级电容储能子系统为核心的再生制动能量存储方案及三闭环控制策略，阐述了均压电容型三电平拓扑结构和控制模型，并进行了仿真验证。结果表明，相比于传统两电平双向 DC/DC 变流器，三电平双向 DC/DC 变流子系统降低了开关器件的电压应力，提高了输出端等效开关频率，减小了输出滤波电感，降低了噪声，所采用的接触网电压、超级电容电压外环和电感电流内环的三闭环控制策略能够及时响应接触网电压变化，有效控制超级电容的充放电过程，具有良好的动态和稳态性能。整套装置的投入使用可以减少电能浪费，降低牵引变电所的峰值容量预算，减小建设和运营成本，同时在紧急情况下可以作为备用电源供车辆牵引使用，有效提高了供电网的效率和可靠性。
关键词：地铁再生制动;三电平拓扑;储能变流器;超级电容
0 引言
地铁交通具有站间距小、载客量大、安全准时以及车辆启停频繁等特点，当车辆进行再生制动时，将产生较大的制动能量。早期，这部分能量反馈到直流电网，除了少量被邻近车辆吸收利用外，大部分能量直接被制动电阻以发热形式消耗，再生制动能量未被充分利用。为充分利用制动能量，目前比较成熟的方式是采用逆变回馈的方式将能量反送到中压交流电网二次利用。近年来，采用储能技术将再生制动能量存储并加以利用的方式越来越受到行业的关注[1]。
目前，再生制动能量存储主要有飞轮储能和超级电容储能 2 种方式[2，3]。超级电容储能方式是一种以超级电容作为储能器件的再生能量利用装置。相比传统的电池储能，超级电容具有更快的响应速度和更长的使用寿命，特别适合于地铁再生能量的储存及频繁充电和放电。在地铁供电系统中，接入超级电容储能装置在实现再生能量利用的同时可稳定电网电压，减小列车启动时从交流电网吸取的峰值功率[4]。
大功率双向储能变流器普遍采用两电平拓扑结构，结构简单、维护方便、可靠性高，但其功率模块成本高、滤波电感体积大、运行噪声较大。本文提出一种以三电平双向 DC/DC 变流子系统和超级电容储能子系统为核心的再生制动能量存储方案及三闭环控制策略，利用 Matlab/ Simulink 搭建再生制动能量储能吸收系统模型，采用适当容量的超级电容储能装置回收车辆再生制动能量并高效利用，有效限制了牵引供电系统中的电压波动。
1 配置超级电容储能装置的地铁供电系统
地铁车辆供电通常采用 DC 750 V 和 DC 1 500 V 等级的直流电，配置超级电容储能装置的地铁供电系统主要由混合牵引变电所和直流接触网构成，如图 1 所示。牵引变电所将三相 35 kV 中压市电通过整流变压器和二极管整流器变换后产生 DC 1 500 V 直流电，地铁列车通过受电弓在接触网上取电，用于电机驱动和车辆辅助供电，钢轨作为负极，构成一个闭合的供电回路。
在新型供电系统中，将超级电容通过双向 DC/DC 变流器接入到直流 1 500 V 母线上，当列车制动使接触网电压上升到储能系统吸能启动阈值时，超级电容可将多余的能量进行储存，以抑制接触网电压上升;当列车启动时，双向变流器将超级电容储存的能量释放出去，以补偿接触网电压的下降。超级电容储能系统不仅充分利用了再生制动能量，稳定了接触网电压，同时也减小了列车牵引时整流变压器的峰值功率。 2 三电平拓扑结构及其原理分析三电平DC/DC变换相对于两电平来说，具有 IGBT电压应力减半、等效开关频率加倍和动态响应速度提高的优点。本文采用的均压电容型三电平拓扑结构如图 2 所示。C1与C2串联均压提供Us/2 的电压为输出电压，形成 5 个电平提供条件。
当超级电容充电时，能量从接触网流向超级电容，从而抑制接触网电压上升，储能变流器工作在降压模式;当超级电容放电时，能量从超级电容流向接触网，给直流接触网补充电能，储能变流器工作在升压模式。
以降压模式为例，电能从高压侧流向低压侧，当超级电容电压从低到高逐渐变化时，占空比也在变化，其工作过程需分为D>0.5 和D<0.5(D为占空比)两种情况[5]，下文对变流器的各种工作状态进行详细分析。 2.1 D>0.5 时当 D>0.5 时，变流器在 1 个工作周期内有 4 个开关状态，主要工作波形如图 3 所示。
4 仿真结果与分析
在Matlab/Simulink环境下建立如图 2 所示的三电平双向DC/DC变流器超级电容储能系统的仿真模型。仿真参数设置：数字系统工作频率 1 MHz，模块支撑电压 1 730 V，输出电感L = 800 μH，输出电流纹波不超过 5%;直流支撑电容C1 = C2 = 0.84 mF;超级电容为 53.3 F，工作电压范围为 600～900 V，最大电流为 800 A，每次工作最大吸收能量为 3.3 kW⋅h。仿真结果如图 8—图 11 所示(图中横坐标均为时间/s)。
当以 800 A 电流为超级电容充电时，电容电压从 600 V 升至最高电压 900 V 需要 20 s，为了加快仿真过程，将超级电容容值缩小 40 倍即充满时间只需要 0.5 s。图 8 模拟了地铁车辆从启动加载到制动过程中超级电容储能变流器的工作情况。
如图 8 所示，车辆在启动加载时，接触网电压下降，超级电容储能装置以最大电流 800 A 开始放电，变流器工作在 Buck 模式，超级电容电压逐渐下降，当超级电容电压下降到 600 V 时，变流器停止放电，电流立即减小为 0。反之，车辆在制动时，接触网电压上升，超级电容储能装置以最大电流 800 A 开始充电，变流器工作在 Boost 模式，超级电容电压逐渐上升，当超级电容电压上升到 900 V 时，变流器停止充电。
根据输出电流波形(图 9)，当输出电压在 600 V 时，电感电流纹波最大，根据仿真数据测量得电流纹波峰峰值Δy = 35 A，电流纹波率为 4.4%，小于 5%的纹波要求。同时测量得电流纹波频率为由此可见，其电感电流的脉动频率为开关频率的 2 倍。因此，三电平电路相比于传统两电平电路，其输出电感量减半，噪声减小。
加入上下电容均压算法后，电容电压的波动量很小，图 10 表示上下支撑电容在工作时的电压波形，最大差值为 30 V。图 11 所示为占空比约为 0.5 时的电压波形，可以看出，在三电平电路中，变流器输出电压是由-VH/2、0、VH三种电平合成，即当输出电压低于VH/2，即 865 V时，输出电压以 0 和 VH/2 合成，而当输出电压高于VH/2 时，输出电压则以VH/2 和VH合成，从而提高脉动频率，降低脉动幅值。
5 结论
本文针对地铁再生制动的特点，提出一种基于三电平双向 DC/DC 变流子系统和超级电容储能子系统为核心的再生制动能量存储方案及三闭环控制策略，通过充放电控制算法实现了地铁再生制动能量的吸收及循环利用，并利用 Matlab/Simulink 软件进行了仿真试验。结果表明，超级电容储能子系统在地铁车辆制动时能够及时响应接触网电压变化，有效控制超级电容的充放电过程，具有良好的动态和稳态性能。
三电平双向 DC/DC 变流器相比于传统两电平结构，降低了开关器件的电压应力，提高了输出端等效开关频率，减小了输出滤波电感，降低了噪声。整套装置的投入使用可以减少电能浪费，降低牵引变电所的峰值容量预算，减小建设和运营成本，同时在紧急情况下可以作为备用电源供车辆牵引使用，有效提高了供电网的效率和可靠性，保障了地铁直流牵引供电系统的安全、可靠、经济运行。——论文作者：张喜茂，孙丛君
参考文献：
[1] 叶芹禄，周伟志. 浅析城市轨道交通列车再生制动能源的转化和利用方案[J]. 铁道勘测与设计，2009(3)：60-63.
[2] Allegre, Anne-Laure, Bouscayrol, Alain. Energy storage system with supercapacitor for an innovative subway[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010,6(12): 4001-4012.
[3] Hayashi H, Hatabe Y, Nagafuchi T, et al. Test Results of Power System Control by Experimental SMES[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2006, 16(2): 598- 601.
[4] Rufer A, Hotellier D, Barrade P. A supercapacitor-based energy-storage substation for voltage-compensation in weak transportation networks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2003, 19(2):629-636.
[5] 许海平. 大功率双向 DC-DC 变流器拓扑结构及其分析理论研究[D]. 北京：中国科学院电工研究所，2005.
[6] 金科，杨孟雄，阮新波. 三电平双向变流器[J]. 中国电机工程学报，2006，26(18)：41-46.
