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

1、軌道交通由于其運載量大、安全性高、運行能耗低等優(yōu)點，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、可靠地對車輛制動能量進行吸收再利用是世界城市軌道交通中研究的熱點問題。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)點在軌道車輛制動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，同時降低了變換器的開關(guān)器件

3、應(yīng)力?；诠β势胶獾脑韺υ撟儞Q系統(tǒng)的串聯(lián)側(cè)均壓和獨立側(cè)均流關(guān)系進行了分析，給出了一端串聯(lián)一端獨立儲能系統(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)計方法，不但能實現(xiàn)級聯(lián)側(cè)各模塊的輸入均壓，還能實現(xiàn)輸入均壓控制與系統(tǒng)電流控制的解

4、耦，進一步提出了高壓側(cè)級聯(lián)儲能變換系統(tǒng)的模塊化控制結(jié)構(gòu)。通過實驗驗證了該雙閉環(huán)控制策略在實現(xiàn)超級電容充放電的同時能夠保證串聯(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變換器的軟啟動問題，設(shè)計了基于FPGA實現(xiàn)的儲能和釋能兩種工作模態(tài)下雙向變換器的軟啟動控制策略，并通過仿真和實驗驗證了軟啟動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)計及能量管理策略進行分析研究，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)計進行了研究。為了有效抑制車輛啟動/制動引起的牽引網(wǎng)電壓擾動，同時有效利用車輛再生制動能量，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）進行超級電容儲能管理的能量控制策略，該方法實現(xiàn)簡單，并能根據(jù)母線電壓的變化實現(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，同時還可以實現(xiàn)超級電容的過充和過放保護?；趦δ芟到y(tǒng)的控制需求提出了控制系統(tǒng)的架構(gòu)和實現(xiàn)方式，對控制功能進行合理劃分，提出了軟件實現(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能量利用系統(tǒng)樣機，并搭建了1500V軌道交通供電系統(tǒng)試驗平臺，通過試驗驗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>