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【摘要】本文针对城市轨道交通中再生制动能量吸收系统展开了研究。文中主要探讨了超级电容储能系统的控制策略，针对系统的储能模式进行了建模与仿真，定性分析了仿真结果，提出了安全可靠的控制策略，对城轨列车超级电容储能系统的实际应用具有一定的指导和借鉴意义。
【关键词】超级电容；再生制动能量；能量管理
Abstract：In this paper，the charging and discharging control strategies of the super capacitor energy storage system has been discussed.First，through the super capacitor energy storage system for analysis，the corresponding mathematical models，and propose a super capacitor charging and discharging control strategy.Secondly，the paper has simulated the Voltage change of the grid by Matlab/Simulink simulation platform and super capacitor energy storage system which provides a theoretical guidance and application basis for the practical engineering.
Key Words：Ultra-Capacitor；Regenerating energy；Energy management
1.引言
在全球倡导节约能源、保护环境的今天，轨道交通节能、环保的优点越来越受到人们的重视，大力发展城市轨道交通已成为世界各国的共识。城市轨道交通由于其运输量大，启、制动频繁，采用再生制动方式的电制动，进一步降低了列车的运行能耗，使轨道交通在节能运行方面的优势更加突出。同时，使用再生制动方式，列车产生的再生能量全部回馈到直流母线并供给同一供电区间内的其他车辆使用，节能的同时，也进一步降低了车辆运行的维护工作量，提高了车辆的运行可靠性[1]。
再生制动能量吸收装置主要由电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型等几种方案[2]。超级电容具有充放电速度快、功率密度高、工作温度范围宽、环保无污染、使用寿命长等优点，非常适合应用于城市轨道列车再生制动能量的吸收装置中。
2.超级电容储能系统
本文以城市轨道交通再生制动地面式超级电容储能系统（Ultra-Capacitor Energy Storage System）为研究对象。其基本结构如图1所示[3]。主要由两部分组成：一是超级电容器组；二是能量变换装置双向DC-DC变换器。当地面式超级电容器组附近有列车制动或减速时，直流电网电压升高，经双向DC-DC变换器，超级电容器组吸收再生制动电能；当附近有列车启动或加速时，直流电网电压下降，超级电容器组释放存储的能量，经双向DC-DC变换器提供给列车使用。这两种工作方式，都实现了一定的稳定网压的作用，同时实现了能量的重复利用。
2.1 超级电容器组
超级电容器实质上具有一种复杂的电阻电容网络结构，由很多单体超级电容串、并联组合成的。在做储能器件时，超级电容器的工作状态以比较频繁的充放电为主，可以简化其中的超级电容为一个等效串联电阻和一个理想电容构成。这种RC等效模型简单，且能够较准确地反应出超级电容器在充放电过程中的外在电气特性，便于解析分析和数值计算。
如果放电过程中，超级电容器组的电压从变换至，可得超级电容器组释放能量为：
在已知列车牵引网、制动能量，直流电网电压和超级电容单体参数，便可确定超级电容器组中串并联电容个数，并联支路数，以及额定电压、电流等详细参数。本文研究的超级储能系统由3240个单体电容组成，按照8并12串为一个模组，总共45个模组，所有模组串联组合而成。
2.2 双向DC-DC变换器
双向DC-DC变换器实现的功能相当于boost-buck变换器，变换器两端电压不变，但电流方向改變，实现能量转换。双向DC-DC变换器分为隔离式和非隔离式，非隔离式器件少、控制简单，广泛用于飞轮储能、风力发电等直流母线电压变化范围大，需要进行直流转换的中小功率应用场合。
在超级电容储能系统中，通常选择非隔离式，如图2所示。主要工作在3个工作状态：列车制动时，网压上升，变换器等效为降压斩波器，把电网多余能量传递给超级电容器组；列车惰性时，变换器不工作，处于备用状态；列车牵引时，网压下降，变换器等效为升压斩波器，超级电容器将存储的能量反馈给列车，辅助列车启动。通过以上三个状态的轮替，即实现了能量的循环利用，同时，是直流电网电压避免了大范围波动，改善用电质量。
图2 双向DC-DC变换电路
3.超级电容储能系统的数学模型分析与仿真
超级电容储能系统主要由超级电容器组和双向DC-DC变换器构成。结合两者的特性，利用状态空间平均法分析储能系统的控制模型。状态空间平均法是从变换器一个周期内随开关状态不同而不同拓扑出发，建立对应的状态微分方程组，从而较为方便进行变换器的控制设计和性能分析。
采用状态平均法对双向DC-DC变换器的降压斩波器和升压斩波器分别建模，最终得到统一的控制模型[4]。由图2电路可知，超级电容储能系统的运作主要通过S1和S2两个IGBT的导通与断开控制。列车制动时，超级电容处于充电模式，S1导通，S2开；列车启动时，超级电容处于放电模式，S2导通，S1断开。考虑都S1和S2在充放电过程中处于工作互补状态，我们将其看成一个互补的数字开关，这样得到其等效电路，如图3所示。其中i0为直流电网输入电流，U0为直流电网电压，USC为超级电容器组端电压，C1为滤波电容器，L0为滤波电抗器，CSC和R为超级电容器组容量和电阻，iL为与超级电容器组串联的电感电流。 圖3 双向DC-DC变换电路等效电路
3.1 超级电容储能系统数学建模
为了验证超级电容储能系统控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink搭建了单变电所单列车仿真平台。仿真平台包括了列车运行系统、超级电容储能系统两大部分。超级电容参数：额定电压1458V、内阻13.5mΩ、电容值44.44F、初始电压600V。双向DC-DC变换器参数：滤波电容0.01F、滤波电感4mH、储能电感2.5mH。
列车启动，线网电压下降，当线网电压低于1450V是，超级电容储能系统释放能量；惰性期间，停止工作；制动期间，线网电压高于1630V时，超级电容储能系统吸收能量，当高于1650V时，地面电阻投入使用，消耗多余能量。
仿真一辆列车启动出站，无超级电容储能系统，线网电压变化如图7所示。加入超级电容储能系统后，当线网电压低于1450V时，超级电容储能系统投入工作，控制变换器模块工作在Boost状态，超级电容储能模块向线网释放能量，如图8所示。对比仿真结果，线网最低电压由无超级电容储能系统时的1150V升高至加入超级电容储能系统后的1300V，电压上升140V，这将很大程度的改善电机的启动性能。另外，超级电容能量的使用，实现了能量的重复利用。
4.结语
本文针对城市轨道交通中再生制动能量吸收系统展开了研究。文中主要探讨了超级电容储能系统的控制策略，针对系统的储能模式进行了建模与仿真，定性分析了仿真结果，提出了安全可靠的控制策略，对城轨列车超级电容储能系统的实际应用具有一定的指导和借鉴意义。
参考文献
[1]张文丽，李群湛等.地铁列车再生制动节能仿真研究[J].变流技术与电力牵引，2008（3）：41-44.
[2]SoneS，Ashiya M.An Innovative Traction System from the View point of Braking[C].MInternational Conference on Development of Mass Transit Systems，IEE 1998，453：36-41.
[3]刘伟.基于超级电容的地铁再生制动能量存储利用研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2011.
[4]蔡宣三，龚绍文.高频功率电子学直流-直流变换[M].北京：科学出版社，1993.
[5]Nomura M，Tadano Y，Yamada T，etal.Performance of Inverter with Electrical Double Layer Capa-citor for Vector Controlled Induction Motor Drives[C].M Industry Applications Conf-erence，2005，2：1073-1080.
【关键词】超级电容；再生制动能量；能量管理
Abstract：In this paper，the charging and discharging control strategies of the super capacitor energy storage system has been discussed.First，through the super capacitor energy storage system for analysis，the corresponding mathematical models，and propose a super capacitor charging and discharging control strategy.Secondly，the paper has simulated the Voltage change of the grid by Matlab/Simulink simulation platform and super capacitor energy storage system which provides a theoretical guidance and application basis for the practical engineering.
Key Words：Ultra-Capacitor；Regenerating energy；Energy management
1.引言
在全球倡导节约能源、保护环境的今天，轨道交通节能、环保的优点越来越受到人们的重视，大力发展城市轨道交通已成为世界各国的共识。城市轨道交通由于其运输量大，启、制动频繁，采用再生制动方式的电制动，进一步降低了列车的运行能耗，使轨道交通在节能运行方面的优势更加突出。同时，使用再生制动方式，列车产生的再生能量全部回馈到直流母线并供给同一供电区间内的其他车辆使用，节能的同时，也进一步降低了车辆运行的维护工作量，提高了车辆的运行可靠性[1]。
再生制动能量吸收装置主要由电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型等几种方案[2]。超级电容具有充放电速度快、功率密度高、工作温度范围宽、环保无污染、使用寿命长等优点，非常适合应用于城市轨道列车再生制动能量的吸收装置中。
2.超级电容储能系统
本文以城市轨道交通再生制动地面式超级电容储能系统（Ultra-Capacitor Energy Storage System）为研究对象。其基本结构如图1所示[3]。主要由两部分组成：一是超级电容器组；二是能量变换装置双向DC-DC变换器。当地面式超级电容器组附近有列车制动或减速时，直流电网电压升高，经双向DC-DC变换器，超级电容器组吸收再生制动电能；当附近有列车启动或加速时，直流电网电压下降，超级电容器组释放存储的能量，经双向DC-DC变换器提供给列车使用。这两种工作方式，都实现了一定的稳定网压的作用，同时实现了能量的重复利用。
2.1 超级电容器组
超级电容器实质上具有一种复杂的电阻电容网络结构，由很多单体超级电容串、并联组合成的。在做储能器件时，超级电容器的工作状态以比较频繁的充放电为主，可以简化其中的超级电容为一个等效串联电阻和一个理想电容构成。这种RC等效模型简单，且能够较准确地反应出超级电容器在充放电过程中的外在电气特性，便于解析分析和数值计算。
如果放电过程中，超级电容器组的电压从变换至，可得超级电容器组释放能量为：
在已知列车牵引网、制动能量，直流电网电压和超级电容单体参数，便可确定超级电容器组中串并联电容个数，并联支路数，以及额定电压、电流等详细参数。本文研究的超级储能系统由3240个单体电容组成，按照8并12串为一个模组，总共45个模组，所有模组串联组合而成。
2.2 双向DC-DC变换器
双向DC-DC变换器实现的功能相当于boost-buck变换器，变换器两端电压不变，但电流方向改變，实现能量转换。双向DC-DC变换器分为隔离式和非隔离式，非隔离式器件少、控制简单，广泛用于飞轮储能、风力发电等直流母线电压变化范围大，需要进行直流转换的中小功率应用场合。
在超级电容储能系统中，通常选择非隔离式，如图2所示。主要工作在3个工作状态：列车制动时，网压上升，变换器等效为降压斩波器，把电网多余能量传递给超级电容器组；列车惰性时，变换器不工作，处于备用状态；列车牵引时，网压下降，变换器等效为升压斩波器，超级电容器将存储的能量反馈给列车，辅助列车启动。通过以上三个状态的轮替，即实现了能量的循环利用，同时，是直流电网电压避免了大范围波动，改善用电质量。
图2 双向DC-DC变换电路
3.超级电容储能系统的数学模型分析与仿真
超级电容储能系统主要由超级电容器组和双向DC-DC变换器构成。结合两者的特性，利用状态空间平均法分析储能系统的控制模型。状态空间平均法是从变换器一个周期内随开关状态不同而不同拓扑出发，建立对应的状态微分方程组，从而较为方便进行变换器的控制设计和性能分析。
采用状态平均法对双向DC-DC变换器的降压斩波器和升压斩波器分别建模，最终得到统一的控制模型[4]。由图2电路可知，超级电容储能系统的运作主要通过S1和S2两个IGBT的导通与断开控制。列车制动时，超级电容处于充电模式，S1导通，S2开；列车启动时，超级电容处于放电模式，S2导通，S1断开。考虑都S1和S2在充放电过程中处于工作互补状态，我们将其看成一个互补的数字开关，这样得到其等效电路，如图3所示。其中i0为直流电网输入电流，U0为直流电网电压，USC为超级电容器组端电压，C1为滤波电容器，L0为滤波电抗器，CSC和R为超级电容器组容量和电阻，iL为与超级电容器组串联的电感电流。 圖3 双向DC-DC变换电路等效电路
3.1 超级电容储能系统数学建模
为了验证超级电容储能系统控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink搭建了单变电所单列车仿真平台。仿真平台包括了列车运行系统、超级电容储能系统两大部分。超级电容参数：额定电压1458V、内阻13.5mΩ、电容值44.44F、初始电压600V。双向DC-DC变换器参数：滤波电容0.01F、滤波电感4mH、储能电感2.5mH。
列车启动，线网电压下降，当线网电压低于1450V是，超级电容储能系统释放能量；惰性期间，停止工作；制动期间，线网电压高于1630V时，超级电容储能系统吸收能量，当高于1650V时，地面电阻投入使用，消耗多余能量。
仿真一辆列车启动出站，无超级电容储能系统，线网电压变化如图7所示。加入超级电容储能系统后，当线网电压低于1450V时，超级电容储能系统投入工作，控制变换器模块工作在Boost状态，超级电容储能模块向线网释放能量，如图8所示。对比仿真结果，线网最低电压由无超级电容储能系统时的1150V升高至加入超级电容储能系统后的1300V，电压上升140V，这将很大程度的改善电机的启动性能。另外，超级电容能量的使用，实现了能量的重复利用。
4.结语
本文针对城市轨道交通中再生制动能量吸收系统展开了研究。文中主要探讨了超级电容储能系统的控制策略，针对系统的储能模式进行了建模与仿真，定性分析了仿真结果，提出了安全可靠的控制策略，对城轨列车超级电容储能系统的实际应用具有一定的指导和借鉴意义。
参考文献
[1]张文丽，李群湛等.地铁列车再生制动节能仿真研究[J].变流技术与电力牵引，2008（3）：41-44.
[2]SoneS，Ashiya M.An Innovative Traction System from the View point of Braking[C].MInternational Conference on Development of Mass Transit Systems，IEE 1998，453：36-41.
[3]刘伟.基于超级电容的地铁再生制动能量存储利用研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2011.
[4]蔡宣三，龚绍文.高频功率电子学直流-直流变换[M].北京：科学出版社，1993.
[5]Nomura M，Tadano Y，Yamada T，etal.Performance of Inverter with Electrical Double Layer Capa-citor for Vector Controlled Induction Motor Drives[C].M Industry Applications Conf-erence，2005，2：1073-1080.