城軌交通車載超級電容儲能系統(tǒng)能量管理及容量配置研究.pdf

1、城市軌道交通與其它交通方式相比具有運量大、運行能耗低、安全性高等優(yōu)點。近些年來，隨著城軌列車采用再生制動技術(shù)的普及，列車再生失效問題頻繁發(fā)生。如何采用儲能技術(shù)確保一定的再生負荷來防止再生失效問題的發(fā)生，減少列車運行能耗成為世界城市軌道交通中的研究熱點。超級電容以其充放電速度快、低污染、高效率、循環(huán)使用壽命長等特點在解決城市軌道列車再生失效問題中有著獨特的優(yōu)勢和發(fā)展前景?；诖吮尘?，本論文圍繞車載超級電容儲能系統(tǒng)的能量管理控制策略和容量配

2、置問題進行深入研究。
　　采用頻率分析法對城軌列車負荷特性和超級電容頻率特性進行研究，討論了二者的匹配關(guān)系。通過仿真和實驗對比，驗證了一階RC超級電容器組模型具有足夠的精度，可以滿足車載超級電容儲能控制系統(tǒng)建模和控制參數(shù)整定的要求?；诖四Ｐ蛯汶娏鳌⒑愎β食浞烹姺绞较碌某浞烹娦蔬M行了研究，為儲能裝置的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。
　　考慮城軌列車運行特性并兼顧解決直流供電網(wǎng)中的再生失效問題，提出了一種車載超級電容儲能系統(tǒng)間接電

3、流控制策略。該控制策略包含四個控制環(huán)節(jié):線網(wǎng)電流環(huán)、直流網(wǎng)電壓環(huán)、超級電容電流環(huán)和超級電容的SOC(state of charge)環(huán)。通過對線網(wǎng)電流環(huán)控制可以實現(xiàn)間接控制超級電容電流和保證超級電容充放電工況隨列車運行工況自動切換?；谛⌒盘柲Ｐ头?，建立了直流網(wǎng)電壓環(huán)的小信號數(shù)學模型，通過對直流網(wǎng)電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)的分析，指出了要保證直流網(wǎng)壓有較好的動態(tài)性能，需要在超級電容工作電壓最低情況下來設(shè)計最佳阻尼比。根據(jù)超級電容儲能裝置對充放電電

4、流的雙向流動性要求，建立了超級電容雙向電流統(tǒng)一控制模型，給出了統(tǒng)一控制器的設(shè)計步驟。通過仿真和實驗驗證了該控制器可保證超級電容充放電工況切換時的平滑過渡。超級電容SOC(state of charge)與充放電電流的約束關(guān)系可以防止超級電容充放電時過充或者過放。
　　設(shè)計了車載超級電容儲能系統(tǒng)實驗平臺，實現(xiàn)了單列車負載特性模擬和多列車運行時直流網(wǎng)壓波動情況的動態(tài)模擬。采用CAN總線技術(shù)實現(xiàn)了此平臺的多臺裝置協(xié)調(diào)動作和各系統(tǒng)狀態(tài)變量

5、的觀測?；诖似脚_完成了對所提出控制策略的實驗驗證。
　　針對車載超級電容儲能系統(tǒng)容量配置問題，本文提出從全局車和網(wǎng)之間能量交換的角度進行研究，建立了車、網(wǎng)、儲能裝置三者相耦合的城市軌道交通車載超級電容儲能系統(tǒng)仿真平臺。針對于傳統(tǒng)算法在考慮再生制動時求解直流網(wǎng)潮流解析時不收斂問題，本文提出一種新的潮流仿真算法——組件分割等效法。通過與簡單數(shù)值解法結(jié)果對比，驗證了算法的準確性，相對誤差范圍在0.5％以內(nèi)。
　　提出了一種考慮超