地铁车站间距较近,列车启停频繁,停车时列车通过再生制动将车身动能转化为电能并释放到牵引网。再生制动能量如果不能及时被线路上其它车辆吸收,将会抬升牵引网电压,威胁列车安全运行。早期,再生制动能量都是通过车载制动电阻或者地面制动电阻将电能转化为热能消耗掉,如何高效利用再生制动能量已成为近年来的研究热点。与目前大量使用的能馈方式相比,超级电容储能装置将再生制动能量先储存下来,在列车启动时再将能量返送到牵引网,这样不仅可以充分利用再生能量,同时也可以补偿牵引网电压降,减小中压交流电网的峰值功率。随着超级电容能量密度的提升和价格的降低,采用超级电容吸收再生能量的方案越来越受到人们的关注。本文结合企业的委托项目,研制用于地铁超级电容储能装置的双向DC/DC变流器。论文开展的主要工作如下:主电路拓扑结构选择。针对地铁再生制动场合的需求,分析了半桥型、多相交错半桥型、输入侧级联多相交错半桥型、输入输出共地三电平以及输入输出不共地三电平几种双向DC/DC拓扑的原理及优缺点,得出不共地三电平双向DC/DC拓扑不仅可以提高等效开关频率、减小储能电感量、降低噪声,同时有充电方便的特点,更适合实际使用,随后分析了该拓扑的工作原理。控制系统设计及仿真。首先分析了不共地三电平双向DC/DC变流器的调制方式和高压侧分压电容电压不均衡的原因,选择了互补的调制方式,研究了基于分压电容电压差值PI控制环的电压均衡策略;其次,设计了具有输入电压前馈的电流控制器结构,分析表明:加入电压前馈后能提高变流器的动态响应速度;最后,分析了地铁再生制动能量特性,设计了基于动态阀值调节的三段式充电策略。对以上所有的控制方法,都进行了仿真验证。储能系统硬件和软件设计。根据技术要求,完成了主电路功率器件、储能电感和分压电容的参数计算与选型,并进行了超级电容组的选型设计;针对工程应用要求设计了ARM+FPGA的双核控制板和信号调理底板,实现了基于以太网的ARM和PSCADA、触摸屏以及调试监控的通信功能,其中,调试监控中还实现了远程固件(包括ARM程序和FPGA程序)更新功能;采用MATLAB中HDL Coder工具箱生成FPGA中所有核心算法对应的Verilog代码,提高了开发效率和代码的可靠性。实验室验证。在实验室搭建了含变流器主电路、控制电路、超级电容以及调试监控的模拟实验平台。实验结果表明:ARM+FPGA控制板能够稳定、可靠的控制变流器工作,并实现远程以太网通信功能;电流控制算法能够实现恒流充电、放电,并在电压达到超容的最高电压和最低电压时停止充放电;能量管理策略能够根据不同母线电压控制变流器的充放电电流。论文结合企业委托的地铁再生能量超级电容储能变流器项目,设计了储能装置的硬件部分和软件部分,并在实验室环境下,初步验证了三电平双向DC/DC储能变流器的双向电流控制、均压控制等核心算法以及基于以太网的远程监控与固件更新等功能,系统方案和控制算法还有待在工程样机上进一步验证。