儲能式城軌超級電容均壓策略研究與充電系統(tǒng)研制.pdf

1、超級電容作為一種新興的儲能電源材料，相比電池具有比功率高、充放電速度快和循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點，將超級電容作為城軌電力牽引供電電源已成為一大研究熱點。單體超級電容容值大，但耐壓值低，需要采用多個超級電容串并聯(lián)構(gòu)成的超級電容組才能滿足實際應(yīng)用的要求;儲能城軌車輛需利用較短的停站時間實現(xiàn)對超級電容快速充電。
　　本文對超級電容電壓均衡策略和快速充電這兩個關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，并完成了充電系統(tǒng)的研制。城軌車輛用超級電容組是由幾千個單體超級電容串并

2、聯(lián)而成，必須對超級電容進(jìn)行電壓均衡，電壓均衡系統(tǒng)的性能對超級電容儲能效率影響較大。為了實現(xiàn)幾千個超級電容充電電壓均衡，本文設(shè)計超級電容組的串并聯(lián)方式，采用分層均壓控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在分析開關(guān)電容法均壓原理的基礎(chǔ)上，提出了基于協(xié)同控制理論的超級電容開關(guān)電容均壓法控制方案，設(shè)計了實現(xiàn)電壓均衡的開關(guān)控制律，并利用李雅普諾夫穩(wěn)定性定理證明了該控制律的穩(wěn)定性。根據(jù)儲能式電力牽引城軌的充電需求，對超級電容組充電系統(tǒng)主電路進(jìn)行方案選擇和具體參數(shù)的選取。

3、主電路對交流10kV輸入電源進(jìn)行等效十二脈波整流，利用Buck電路采用PWM斬波實現(xiàn)DC/DC變換;通過控制斬波脈寬實現(xiàn)恒流快速充電。為滿足充電電流和提高可靠性，采用兩組Buck電路并聯(lián)輸出的方式，對兩支路的斬波脈沖進(jìn)行錯相處理減小了充電電流的諧波。充電系統(tǒng)采用模型預(yù)測控制策略。建立超級電容組快速充電等效電路模型和充電系統(tǒng)主電路物理模型;采用歸一化方法對系統(tǒng)模型進(jìn)行修正，離散化后得到適合計算機(jī)運算的系統(tǒng)離散預(yù)測模型;以超級電容組充電過程

4、中跟蹤電流參考軌跡作為優(yōu)化控制指標(biāo)，在優(yōu)化指標(biāo)中加入均流項，考慮占空比范圍、電感電流峰值作為硬約束條件，構(gòu)造為有限時域優(yōu)化問題，通過積極集的優(yōu)化求解方法，獲得模型預(yù)測控制律。實現(xiàn)了充電系統(tǒng)的滾動優(yōu)化和反饋校正。文采用Saber與Matlab/Simulink構(gòu)成虛擬硬件/軟件聯(lián)合仿真驗證平臺，電路模型在Saber中實現(xiàn)，模型預(yù)測控制算法在Simulink中實現(xiàn)。利用Saber與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真的方式，對超級電容電壓