基于超级电容的城轨列车储能变流器主电路的分析和设计

基于超级电容的城轨列车储能变流器主电路的分析和设计

李鹏

武汉铁路职业技术学院  湖北武汉   430000

摘要：城轨列车在回馈制动时，会释放电能到供电网上面，使电网电压升高，列车启动时从供电网上面吸收能量，导致供电网上面的电压降低。如果加入储能回馈变流器装置，当城轨列车回馈制动时，将制动产生的能量存储到储能装置中，则会降低列车回馈制动对电网产生的影响；同理，在列车启动时，投入储能装置，由储能装置和供电网一起向列车供电，也会减少列车启动时对供电网的影响。在发生紧急停车制动时，储能装置处于关闭状态，采用常规的制动方式将电能快速消耗在制动电阻上面，实现列车的紧急制动[1]。通过以上情况可以得出，储能装置变流器主电路具有能量的双向流动和紧急释放功能，本文根据不同工况下储能装置所要实现的功能对储能装置变流器主电路进行分析和设计。

关键词：储能装置；主电路；储能；释放

1、储能装置变流器主电路的功能

在列车制动时，释放电能到供电网上面，如果电网上面的电压升高到最大限制电压时，启动储能回馈变流器装置，由供电网向超级电容储能系统进行充电，待超级电容上面的电压上升到其所允许的最大电压后，关闭变流器主电路，停止对超级电容充电。同理，在列车启动时会从电网上面吸取能量，导致供电网上面的电压降低，如果供电网上面的电压下降到最小限制电压时，要启动储能回馈变流器装置，由超级电容储能系统向供电网进行放电，待超级电容上面的电压下降到其所允许的最小电压后，关闭变流器主电路，超级电容停止放电。在发生紧急停车制动时，储能回馈变流器装置处于关闭状态，采用常规的制动方式将电能直接消耗在制动电阻上面，实现列车的紧急制动。

2、储能装置变流器主电路的拓扑结构

储能回馈变流器主电路主要实现的功能有三个：一是在列车制动时实现降压储能，把能量储存起来；二是在列车启动时实现升压，向供电网输送能量；三是实现常规的电阻制动，实现快速停车。概括起来也就是实现双向DC/DC变换功能加上电阻制动功能。双向DC/DC变换器[2]可分为隔离式和非隔离式两种。在城轨列车储能系统中，通常选择非隔离式变换器，在功能上相当于BUCK变换器和BOOST变换器的组合。

3、储能回馈变流器电路主参数的确定

3.1超级电容储能系统容量的计算

假设城轨列车从开始制动到停车所释放出来的能量为W，由于超级电容C的大小要确保当超级电容上面的电压从最小值变化到最大值所能够储能的能量大于城轨列车在制动时回馈到供电网上面的能量，所以电容C应满足，其中：为储能回馈装置变换效率系数。

3.2续流电感L的计算

续流电感[3]L在双向DC/DC变换器中的作用表现在两个方面：一是在BUCK降压充电的状态下其续流作用，二是在BOOST在升压放电状态下起支撑电压上升的作用。处于BUCK状态下，电流从供电网电压Udc端流向超级电容储能装置Usc端，此时由于刚开始充电，电感两端的电压为，电路工作在连续模式（CCM）下的条件为。处于BOOST状态下，电流从超级电容储能装置Usc端流向供电电压Udc端，此时 。式中：β1为电感电流的纹波系数；为电感电流的平均值；为开关管导通时间；从上面的分析可以看出来续流电感与超级电容储能装置两端的电压Usc，供电网电压 Udc，开关管的导通时间，电感电流的纹波系数β1，电感电流的平均值有关。在BUCK和BOOST状态下计算各个状态下所需的电感值为和，取两者之间较大的数值即：。

3.3稳压电容C1的计算

双向DC/DC变换器的工作状态可大致分为两种：一种是BUCK工作状态，另一种是BOOST工作状态。在BUCK状态由于有超级电容的存在，本身就有一定的滤波功能，故不需要添加额外的稳压电容；在BOOST状态下，滤波电容[4-5]C1上的电压变化就是输出电压的纹波值记为，可以得到滤波电容的取值公式为：。

3.4 开关管的选型

在对功率开关管进行选型时要注意的主要问题有：开关频率，关断时两端承受的过电压和开通时允许通过的电流。目前在电力电子中广泛应用的到的开关器件有：门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（POWERMOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。

当双向DC/DC变换器工作在BUCK和BOOST状态时，T1管和T2管两端所承受的最大电压为供电网上面的电压为，如果按照额定电压的50%-60%进行使用，则IGBT的额定电压为。当T1管和T2管作为导通管时，流过上面的电流即是超级电容的充放电电流I。

4结语

本文先是分析了储能回馈变流器工作原理和结构，根据列车在回馈制动时对电网释放能量，在启动时从电网吸收能量的特点，分析了双向DC/DC变换器功能，这种变换器可以控制启动和制动不同工况时能量的流向。然后介绍了双向DC/DC变换器的工作原理，分BUCK充电和BOOST放电两种情况对DC/DC变换器进行了详细介绍，最后对变流器电路中超级电容储能系统容量、续流电感、稳压电容和开关管等主要参数进行了分析和设计。

参考文献

[1] 赵立峰, 张发明.北京地铁5号线再生电能吸收装置[J].现代城市轨道交通. 2008(1):6-8.

[2] 张方华, 朱成花, 严仰光. 双向DC-DC变换器的控制模型[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(11):46-49.

[3] 冯本成, 杨玉岗, 韩占岭. 双向DC/DC变换器中耦合电感的应用研究[J]. 电源学报, 2012, 10(3):52-55.

[4] 王俭朴. 城市轨道交通车辆制动车载储能系统研究[J]. 机车电传动, 2015(4):76-79.

[5] 王似玉. 基于车载储能的轻轨车辆联合供电系统研究[D]. 北京交通大学, 2015.