抑制车载储能系统直流环节电流脉动方法研究

都业林， 石庆贺， 徐恩伟

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028；2.沈阳铁路局 沈阳机务段，辽宁 沈阳 110001；3.大连万通工业装备有限公司 技术部，辽宁 大连 116023)

目前，在实现城市轨道车辆车载超级电容器储能再生制动时，由于储能装置一般是由DC/DC变换器组成，所以在工作的过程中，DC/DC变换器中开关元件在高频率下不断的导通和关断，这势必会导致直流环节电流的强烈脉动，从而引起较高的电磁干扰，这也是储能再生制动装置尚未广泛应用于实际的主要因素之一。

本文针对城市轨道车辆典型工况电流脉动进行分析，研究抑制储能再生制动系统直流环节电流脉动的方法。并在此基础上提出一种新型双单元结构储能装置。可以有效抑制直流环节电流脉动。

1 超级电容储能再生制动系统的总体结构

常规车载超级电容储能再生制动系统整体结构如图1所示，该系统由车辆牵引直流环节、直流环节支撑电容Cf、牵引逆变器、牵引电机、双向DC/DC变换器、储能电感Lm、超级电容模块组C组成。超级电容储能再生制动系统参数见表1。

图1 超级电容储能再生制动系统

2 车载超级电容储能系统电流脉动仿真分析

2.1 车载超级电容储能系统制动工况工作方式

当城市轨道车辆进入再生制动工况时，此时牵引电机进入发电工况，通过工作于脉冲整流工况下的“牵引逆变器”向直流电网反馈能量。若没有其他设备和车辆及时吸收制动能量，则会使得直流牵引电网电压升高，并且高于直流网压，若达到一定的值(本系统设置为800 V，牵引供电系统电压最高值为900 V)，并且保证超级电容电压小于其最大工作电压允许值450 V，则储能变流装置开始工作，通过控制电路控制双向DC/DC变换器主电路工作于Buck电路模式，对超级电容进行充电，保证支撑电容电压平稳，通过控制平均充电电流的大小，进而实现超级电容充电功率与车辆电气制动功率的平衡，达到储能和降低直流网压的目的。

表1 超级电容储能再生制动系统参数

2.2 储能再生制动系统模型

本文从列车的运行曲线入手，依据某已知的列车某一制动特性曲线计算，结合列车速度—时间曲线，计算得到列车功率—时间曲线。因此列车可以等效为一个功率源，输出功率随时间变化而变化，也就是一个受控电流源。

根据车载超级电容储能再生制动系统总体结构建立制动工况下仿真模型，如图2所示。

图2 储能再生制动系统制动工况仿真模型

2.3 仿真结果分析

仿真过程中直流环节电流波形及FFT分析如图3所示。

图3(a)所示为超级电容充电过程中直流母线电流变化情况，直流母线上的电流幅值从500 A逐渐减小至150 A，图3(b)为直流母线电流幅值最大阶段3个周期的波形，电流从500 A到0 A之间不断脉动变化，对其进行FFT分析，谐波含量如图3(c)所示。从图3中可以看出，高次谐波含量较多，幅值较大，分数谐波幅值较小，这说明各次谐波分量占直流分量很大部分，具有较多的高次谐波，因此这会引起强烈的电磁干扰。

(a)直流母线电流

(b)直流母线局部电流

(c)直流母线电流FFT分析

3 抑制直流环节电流脉动的方法

3.1 影响直流环节电流脉动的因素

从本文所研究的车载超级电容储能系统控制策略上来说，开关频率的大小及PI调节参数值得选取亦是引起直流环节电流脉动的因素，但通过反复试验即可得到合适的值，本文这里不做详细的研究。从系统的结构上来讲，系统中的储能电感和支撑电容的大小对电流脉动有着直接的影响。储能电感主要起储能和减小电流峰值作用；支撑电容的主要作用是稳定中间直流电压，提供瞬时能量交换，与电源及超级电容储能装置交换无功。因此从理论上来讲电感值和支撑电容值越大越有利于抑制直流环节电流的脉动，但限制于列车上的空间及成本因素，不能取值过大。针对这一情况，在不改变系统原有体积的条件下，下面提出一种新型超级电容储能装置。

3.2 新型超级电容储能装置仿真分析

根据超级电容的串并联特性，不改变原系统的容量，将原有的40个超级电容模块通过4并10串组成的480 V、24 F超级电容组进行拆分，分成2并10串的单元式480 V、12 F超级电容组，对单元式超级电容组分别进行控制。在此基础上提出一种新型技术方案，如图4所示，该系统由车辆牵引直流环节、直流环节支撑电容Cf、牵引逆变器、牵引电机、双单元储能模块、滤波电容，超级电容模块组C组成。新型储能再生制动系统参数见表2。

图4 改进的储能再生制动系统结构框图

表2 新型储能再生制动系统参数

3.3 新型储能再生制动系统与原系统的性能比较

新的储能再生制动系统工作方式与原系统工作方式基本一致，不再赘述。这里主要介绍与原有系统的区别。

(1) 由于新系统引进双单元结构，因此控制策略较之原系统不同，采用错相控制技术进行移相半个周期的方式进行控制，这种方式有利于减小直流环节电流脉动，从而达到减小电磁干扰的目的。

(2) 在单元式储能装置中加入滤波电容，同时增大储能电感的值。

(3) 开关频率选择2 kHz，由于采用错相半个周期控制技术，使得系统等效开关频率变成4 kHz，相当于增大开关频率。

3.4 仿真模型

根据新系统的结构框图，建立仿真模型，如图5所示。

图5 改进的储能再生制动系统制动工况仿真模型

3.5 仿真结果分析

根据表2中的参数对仿真模型进行设置，仿真过程中电流电压波形如图6所示。

(a)直流母线电流

(b)直流母线局部电流

(c)直流母线电流FFT分析

图6(a)所示为超级电容充电过程中直流母线电流变化情况，其电流幅值最大值为230 A,比原系统减小大约270 A, 因此直流母线上的电流脉动量很明显较之原有系统减小了很多，取脉动最大处的局部电流波形观察，如图6(b)所示，电流最大峰-峰值为170 A，较原有系统500 A降低了330 A，能够很好地减小系统的电流脉动。对其进行FFT分析，如图6(c)所示，直流分量含量最大，分数谐波含量基本没有，虽然存在一定量的高次谐波，但由于脉动量的减小，所以影响并不严重。因此由以上仿真波形可以得出结论，在制动工况下，新型储能再生制动系统有效地减小了直流环节的电流脉动情况，从而达到减小电流脉动引起的电磁干扰问题。

4 结束语

本文对车载超级电容储能再生制动系统进行典型工况仿真分析，结果表明其直流环节存在强烈的电流脉动。然后提出一种新型储能装置方案，即在不改变系统容量的前提下采用双单元错相控制的超级电容储能再生制动系统，仿真分析结果表明，能够有效抑制直流环节电流的脉动。

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