聂晶鑫，郭育华，夏 猛

0 引言

随着石化资源的日益减少，环境和能源危机越来越威胁到人类未来的生存发展，节能减排的重要性逐渐得到了全世界的关注。随着电力电子技术、电机调速和驱动控制技术的进步和发展，交流变频调速系统已经广泛应用于轨道交通领域。

变频调速系统可以实现将机械能转化为电能，即再生制动，使得一部分能量能够回馈给电网，从而节约能源。目前的电力牵引系统广泛使用该电制动方式，既回收了部分机械能，又减少了机械制动的损耗，减少了维护时间和费用。但是以目前的牵引网结构，如果同段线路上没有列车消耗再生电能，牵引网电压则会上升，可能影响供电系统安全运行，目前的解决办法是用电阻消耗多余电能，以维持电压稳定。在地铁隧道中该方式会造成隧道内温度升高，而且不能有效利用回收能量。因此，可以在地铁直流供电系统中加入储能环节，它在再生制动时吸收能量，避免浪费；在启动或加速时提供部分功率支持，减少牵引网电压波动[1，2]。

本文研究了超级电容的充放电特性和城市轨道交通的运行特点，选择超级电容作为储能介质，搭建轨道交通超级电容储能系统，分析双向直流变换器的工作过程，采用牵引直流侧电压作为能量控制策略依据，使超级电容储能系统对直流系统电压起到稳定作用。

1 超级电容储能装置及策略

城市轨道车辆在再生制动时，牵引直流侧电压升高，在启动和加速时牵引直流侧电压降低，通过控制并接在直流侧的双向DC/DC 变换器，对超级电容充电放电，可以实现削峰平谷、平衡直流侧电压和能量回收再利用的作用。主电路拓扑结构如图1 所示。

图1 储能系统主电路图

2 超级电容

超级电容的特点有：循环寿命长，充放电循环次数可达50 万次以上；功率密度大，约是铅酸电池的20 倍，短时间大功率充放电能力强；充放电速度快，效率高，充放电周期损耗小于10%[3]。而城市轨道交通的特点是区间运行时间短，启停频繁，短时间电压尖峰明显。所以超级电容的特性恰好（或正好）满足城市轨道交通储能的需求，比其他储能方式具有更好的性能匹配和更高的性价比。

超级电容的荷电状态SOC（State of Charge）用以表示电池的电荷状态，即充电的百分比程度

超级电容的荷电状态仅与端电压有关，所以充电状态容易被检测监控。

超级电容不能用一个电容器来准确描述，需要用一个复杂的电阻和非线性电容构成的网络来描述。为了方便实现仿真验证储能器的功能，现将超级电容用一个近似的电容和电阻的串联模型替代，如图1 所示。

3 双向DC/DC 变换器

系统采用了半桥型双向DC/DC 变换器，拓扑结构如图2 所示，超级电容接V2侧，V1侧接直流母线。该结构体积小、重量轻、器件少、成本低，由于没有变压器损耗，散热少，工作效率也较高。

图2 半桥型双向DC/DC 变换器电路图

3.1 充电模式

当电机减速制动时，超级电容器吸收回馈到直流母线的能量，此时双向DC/DC 变换器工作在buck 模式。此时IGBT1 工作，电流流向超级电容侧，在t＜ton时段IGBT1 导通充电，ton＜t 时段IGBT1 截止，二极管续流（图3）。

图3 DC/DC 变换器充电工作模式电路图

3.2 放电模式

当电机启动和加速时，电机需要较大功率，超级电容释放电能提供功率支持，双向DC/DC 变换器工作在boost 模式。此时IGBT2 工作，电流由超级电容流向直流侧，在t＜ton时段IGBT2 导通，电容L 产生电流，ton＜t 时段IGBT2 截止，二极管续流，电流流向直流侧（图4）。

图4 DC/DC 变换器放电工作模式电路图

4 控制策略

控制主要目的是减小电压波动，同时还要限制充放电电流，避免过大电流损坏器件。另一方面要将电池储能量控制在一个合理状态，既能提供一定功率输出，也要留有一定的吸收能量空间。如果再生能量过多而无法完全吸收，还要投入耗能电阻辅助消耗电能。

直流母线侧电流I 的变化能引起直流母线侧电压V 的变化，通过测量直流侧电容电压可以间接获得负载功率的变化，因此将直流侧电压作为充放电控制策略的判断依据。设定当直流侧电压小于V1时，牵引功率为正，列车正在启动或加速，需要能量支持，超级电容器释放能量，以保证直流母线电压稳定。当直流侧电压大于V4时，牵引功率为负，有制动能量产生，此时储能系统从直流侧吸收能量，以保证直流母线电压稳定。见图5 所示。

图5 能量控制策略图

5 结束语

本文介绍了超级电容储能装置用于城市轨道交通系统中，可以使再生能量循环利用，并且保持直流电压稳定。详细说明了储能装置的工作原理，以及控制策略。

随着超级电容产品的日益成熟，生产成本随之下降，超级电容储能装置装备在城市轨道系统中的性价比也开始凸现。加之对节能环保要求的提高，这一装置会很快应用于城市轨道交通领域。

[1] 陈朗.超级电容在轨道交通系统中的应用[J].城市快轨交通，2008，（6）：76-79.

[2] 何晓光，张逸成.轨道交通超级电容能力回收控制系统设计[J].电气自动化，2009，（5）：73-75.

[3] Cegnar E J， Hess H L，Johnson B K.A purely ultra -capacitor energy storage system hybrid electric vehicles utilizing a based DC-DC boost converter.Applied Power Electronics Conference and Exposition，2004.Nineteenth Annual IEEE，2004，2: 1 160-1 164.

[4] 林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006.