基于Simulink的高速铁路长大坡道储能系统设计

杨 创，冯 鉴，李天成，孔维东

（西南交通大学机械工程学院，成都 610036）

0 引言

随着西部大开发的快速推进，中国高速铁路建设网不断在地势起伏较大、地形复杂多变的西部铺开，不可避免地出现越来越多的长大坡道运行线路。以西成客专为例，其是中国运营长大坡道和大坡道较长、长大坡道占比较高、动车组列车失速较大、运行条件较困难的高铁线路。面对此种困难的列车运行条件，铁路总公司组织相关单位对多种车型动车组在西成客专新街场至鄠邑站间，长度45 km、坡度25‰的连续坡道上进行了全列切除电制动的坡道恒速运行制动热负荷试验。其中CRH380B型和CR400BF型动车组全列切除电制动恒速运行试验中出现车轴盘对应闸片温度超标的情况，因此动车组列车在长大坡道行驶时必须保证再生制动系统能正常运行。但在如此的长大下坡情况频繁使用再生制动[1]，将造成接触网电压明显上升，导致供电臂末端网压过高，当电压超出正常范围，将会引起列车再生制动失效，严重影响列车的运行安全[2]。同时，运行的动车组含有一定的高次谐波，容易造成牵引供电系统高次谐波谐振，引起供电质量下降[3]，并对供电设备安全造成影响。

为了应对西成客专新街场至鄠邑长大坡道的运行条件，避免列车再生制动失效，保证列车运行的安全，提高供电质量，有必要对列车在此线路行驶时再生制动能量利用进行研究。目前通用的再生制动能量利用方式主要有两种，一种是通过合理安排行车组织[4]，调整同一供电臂内所回收的再生制动能量；另一种是通过加装能量回馈装置，将回馈的再生制动能量用于牵引配电系统内部用电设备消耗[5-6]。前者灵活性较差，且不适用于本文研究的长大坡道线路，后者所回馈的电能质量不佳，容易对用电设备造成损坏。因此，本文提出了设计一套长大坡道地面再生制动能量储能系统，当列车行驶在长大坡道下坡频繁进行再生制动时，储能系统直接对过剩的再生制动能量进行吸收存储；列车行驶在长大坡道上坡增大牵引功率时，储能系统释放能量，从而提高再生能量利用率和供电质量。

1 储能系统设计

1.1 结构

适用于长大坡道的动车组地面再生制动能量储能系统的结构如图1所示。长大坡道地面超级电容储能系统主要由变流器和超级电容储能装置两部分组成。图中，P1为长大坡道地面超级电容储能系统变流器，变流器交流侧连接于供电臂末端和轨道，直流侧与储能装置DC/DC变换器[4]一端相连。变流器的作用是将供电网电压以25∶1的电压比进行降压，供电网25 kV/50 Hz 的交流电压被降压至1 000 V/50 Hz，随后通过四象限整流器将交流电整流为稳定的2 000 V直流电压。P2是动车组和接触网供电系统，列车通过受电弓将接触网把25 kV/50 Hz的交流电引入到主变压器，主变压器连接列车牵引供电系统，驱动三相异步电机拖动动车组运行。当列车行驶在牵引阶段时，接触网将电力提供给列车；当列车行驶在制动阶段时，将制动能量回馈至接触电网。P3是超级电容储能装置，由于西成客专鄠邑-新场街行程约45 km坡度达到25‰的长大坡道。当列车在长大坡道下坡行驶时，为了保持匀速行驶，需要采取制动措施，将产生大量的再生制动能量，使得接触网网压偏高而超出正常范围，此时超级电容储能装置吸收再生制动能量，降低接触网末端电压，使得接触网网压恢复至正常范围内；当列车在长大坡道上坡行驶时，为了保持匀速行驶，需要增大牵引制动功率，使得接触网网压偏低而低于正常范围，此时超级电容储能装置释放电能，提高接触网末端电压，使得接触网网压恢复至正常范围内。

图1 长大坡道地面超级电容储能系统结构

1.2 工况分析

当列车在长大坡道下坡行驶时，为了保持匀速行驶，需要采取制动措施，将产生大量的再生制动能量，使得接触网网压偏高而超出正常范围，此时超级电容储能系统变流器装置启动，接触网为超级电容进行充电，当超级电容的储能功率容量饱和后，关闭变流器装置，停止对超级电容进行充电；当列车在长大坡道上坡行驶时，为了保持匀速行驶，需要增大牵引制动功率，使得接触网网压偏低而低于正常范围，此时超级电容储能系统变流器装置启动，超级电容储能系统释放电能；当此段线路没有列车行驶时，超级电容储能系统处于待机状态。根据上文描述可以得出，超级电容储能系统控制器工作在充电、放电和待机3种不同的工况。充电和放电工况的能量流动方向如图2所示。

图2 充电和放电工况的能量流动方向

1.3 双向DC/DC变换器设计

双向DC/DC 变换器的种类繁多，主要分为隔离式和非隔离式两种。隔离式双向DC/DC 变换器的电路拓扑种类同样繁多、各具特色，但总体都是全桥电路、半桥电路和推免电路的各种组合以及其变形电路的组合[5]。非隔离式电路简单、器件少、变换效率高、方便控制，广泛应用于锂电池储能系统、飞轮储能系统、风力发电等需要进行直流变换处理的应用场合。因为这些优点，超级电容储能系统通常也选择非隔离DC/DC 变换器。常用的非隔离式双向DC/DC 变换器拓扑主要有 4 种[6]：Buck/Boost 双 向 DC/DC 变换器 、Buck-Boost 双向DC/DC 变换器、Cuk 双向 DC/DC 变换器和 Sepic-Zeta 双向 DC/DC 变换器。Buck/Boost 双向DC/DC 变换器相比于增加了电感的Cuk和Sepic-Zeta变换器，其转换效率高、结构简单、器件少且重量轻；Buck-Boost 变换器适用于大功率场合。因此综合考虑，本文选择Buck/Boost 双向DC/DC 变换器作为超级电容储能系统的主电路拓扑，其电路如图3所示。

图3 超级电容储能系统主电路拓扑

2 储能系统控制方法与仿真分析

2.1 储能系统控制方法

对储能系统进行充放电时，充电电流或电压过大都会对储能装置造成破坏，同时还要维持接触网网压的稳定，因此在控制系统中引入电流闭环PI调节器。储能装置的控制策略如图4所示。具体控制思路如下：通过接触网末端网压Umd和馈线电流Ik判断储能系统的工作状况，超级电容进行恒功率充电，充电功率P 与通过采样获得直流侧的实际电压Ud作商，送入PI 调节器输出值作为超级电容电流的电流期望值Il*，该值再与实际电流值Il作差送入PI 调节器并进行限幅后，进行PWM调制，获得控制开关的脉冲信号。其中，超级电容电流的期望值为最大充电与放电功率对应的电流值。储能系统的控制框图如图5所示。

图4 储能系统控制策略

2.2 仿真分析

接触网采用带回流线的直接供电方式，由于鄠邑-新场街间下行线K72+142至K72+335、上行线K72+330至K72+136处设置有接触网分相，因此供电臂长度以22 km为例进行仿真分析。而动车组运行的符合则以电流源进行模拟。具体的仿真参数如表1所示。

图5 储能系统控制框图

表1 仿真参数

以下仿真的主要目的是验证储能系统能够达到充放电目标，因此在设置充放电时间时，以短时间为例子[7]。

（1）充电工况仿真分析

当动车组列车行驶在长大坡道下坡时，为了保持恒速行驶，列车进行再生制动，接触网末端电压升高，此时储能系统处于充电工况[8]。列车以240 km/h 恒速运行，在1 s 投入超级电容储能系统，直接以最大功率5 800 kW 进行充电。充电工况下，接触网末端电压和储能装置电流波形如图6所示。由图可以看出，在储能系统投入使用前，接触网末端的电压为28.9 kV 左右；投入储能系统后，接触网末端电压快速下降，降低至27.8 kV左右，接触网网压降低至正常范围之内，从而避免了列车再生制动失效，保证列车运行的安全[9]。

图6 充电工况接触网末端电压和储能装置电流波形

（2）放电工况仿真分析

当动车组列车行驶在长大坡道上坡时，为了保持恒速行驶，列车增大牵引功率，接触网末端电压降低，此时储能系统处于放电工况[10]。列车以240 km/h 恒速运行，在1 s 投入超级电容储能系统，直接以最大功率5 800 kW 进行恒功率放电。放电工况下，接触网末端电压和储能装置电流波形如图7所示。由图可以看出，在储能系统投入使用前，接触网末端电压为23.2 kV左右；投入储能系统后，接触网末端电压快速上升，提高至24.1 kV左右，达到了支撑网压上升的效果，且充分利用了列车再生制动能量[11]。

图7 放电工况接触网末端电压和储能装置电流波形

3 结束语

本文通过分析动车组列车行驶在长大坡道上存在再生制动失效和供电质量下降的问题，设计了一套长大坡道地面再生制动能量储能系统。利用Matlab/Simulink 搭建长大坡道地面再生制动能量储能系统平台，验证储能系统参数设计和控制方法的正确性，得出以下结论：

（1）储能系统能有效抑制因持续进行再生制动造成的接触网网压抬升，从而避免列车再生制动失效，保证列车运行安全；

（2）当接触网牵引符合增大造成网压降低，储能系统能够有效支撑接触网网压上升，提高再生能量的利用率，且一定程度上提升了供电网供电质量。