城軌交通超級電容儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、軌道交通由于其運(yùn)載量大、安全性高、運(yùn)行能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在城市交通發(fā)展中得到迅速的普及，但隨之帶來的車輛制動(dòng)能量耗散問題愈來愈嚴(yán)重，如何有效、安全、可靠地對車輛制動(dòng)能量進(jìn)行吸收再利用是世界城市軌道交通中研究的熱點(diǎn)問題。超級電容以其功率密度大、充放電效率高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)在軌道車輛制動(dòng)能量再利用方面有著明顯的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。本文以置地式城軌交通超級電容儲能系統(tǒng)為對象，對應(yīng)用于1500V及以上的高壓大容量雙向DC-DC功率變換技術(shù)、儲能系統(tǒng)的

2、控制策略、置地式儲能系統(tǒng)系統(tǒng)配置及超級電容組間的均壓等關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究。
　　傳統(tǒng)雙向DC-DC變換系統(tǒng)應(yīng)用于1500V軌道交通超級電容儲能場合存在超級電容串聯(lián)單體數(shù)目多不利于均壓控制、高壓大功率條件下開關(guān)器件高du/dt帶來電磁干擾大、功率器件選擇困難等問題，針對以上問題，研究了一端串聯(lián)一端獨(dú)立的雙向DC-DC變換系統(tǒng)的工作特性和控制技術(shù)，通過儲能變換模塊串聯(lián)的方式降低超級電容單體直接串聯(lián)的數(shù)目，同時(shí)降低了變換器的開關(guān)器件

3、應(yīng)力。基于功率平衡的原理對該變換系統(tǒng)的串聯(lián)側(cè)均壓和獨(dú)立側(cè)均流關(guān)系進(jìn)行了分析，給出了一端串聯(lián)一端獨(dú)立儲能系統(tǒng)的控制思路，在此基礎(chǔ)上提出了高壓側(cè)級聯(lián)Buck/Boost雙向直流變換器（High-voltage-side cascaded Buck/Boost bi-directional DC-DC converter，HCBDC）的雙閉環(huán)控制策略及控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，不但能實(shí)現(xiàn)級聯(lián)側(cè)各模塊的輸入均壓，還能實(shí)現(xiàn)輸入均壓控制與系統(tǒng)電流控制的解

4、耦，進(jìn)一步提出了高壓側(cè)級聯(lián)儲能變換系統(tǒng)的模塊化控制結(jié)構(gòu)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該雙閉環(huán)控制策略在實(shí)現(xiàn)超級電容充放電的同時(shí)能夠保證串聯(lián)側(cè)模塊端電壓的均衡。為了解決儲能系統(tǒng)中雙向 DC-DC變換器的軟啟動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了基于FPGA實(shí)現(xiàn)的儲能和釋能兩種工作模態(tài)下雙向變換器的軟啟動(dòng)控制策略，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了軟啟動(dòng)控制策略抑制浪涌電流的有效性。
　　對基于級聯(lián)BDC的超級電容儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)及能量管理策略進(jìn)行分析研究，依據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，確定了超級電

5、容儲能系統(tǒng)的總體技術(shù)方案，并對超級電容組的選取、均衡電路方案、雙向DC-DC功率電路及系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。為了有效抑制車輛啟動(dòng)/制動(dòng)引起的牽引網(wǎng)電壓擾動(dòng)，同時(shí)有效利用車輛再生制動(dòng)能量，提出了一種根據(jù)母線電壓變化及超級電容荷電水平（State of Charge，SOC）進(jìn)行超級電容儲能管理的能量控制策略，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，并能根據(jù)母線電壓的變化實(shí)現(xiàn)超級電容儲能系統(tǒng)各工作模態(tài)的自由切換，避免了由于電壓檢測干擾而產(chǎn)生系統(tǒng)模態(tài)跳變所帶

6、來不穩(wěn)定的問題，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)超級電容的過充和過放保護(hù)?；趦δ芟到y(tǒng)的控制需求提出了控制系統(tǒng)的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式，對控制功能進(jìn)行合理劃分，提出了軟件實(shí)現(xiàn)方案。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，制作了1500V置地式超級電容再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)樣機(jī)，并搭建了1500V軌道交通供電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出的儲能系統(tǒng)方案和控制策略的的可行性及正確性。
　　為了進(jìn)一步提高高壓大功率超級電容儲能系統(tǒng)的性能，對幾種新型超級電容儲能變換方

7、案進(jìn)行了分析研究。研究得出，在同等高壓大功率應(yīng)用場合下，采用多相交錯(cuò)單元的高壓側(cè)級聯(lián)雙向DC-DC拓?fù)洌℉igh-voltage-side cascaded multi-phase interleave bi-directional dc-dc converter，HCMIBDC）以及基于模塊化多電平雙向直流變換器（Modular multilevel bi-directional dc-dc converter，MMBDC）拓?fù)溆捎诓?/p>