城市轨道交通地面式超级电容储能装置控制策略研究

摘要：城市轨道交通中车辆发生再生失效是产生电能浪费和闸瓦损耗的重要原因,采用超级电容储能系统可有效吸收剩余再生制动能量,并在牵引过程中释放这部分能量,从而达到节能、稳压和防止再生失效发生的目的。 本文首先基于超级电容通用等效电路模型和城市轨道交通的实际情况得到了一种超级电容器组的简化等效电路模型,并对其温度、频率和电压三方面的工作特性进行了研究；接下来对超级电容储能系统进行了拓扑选择和电气参数的设计,确定了利用双向DC-DC变换器控制超级电容器组充放电的主电路形式。 超级电容储能系统的控制策略是本文的研究重点,采用一种牵引网电压外环、超级电容电流内环的双环串级控制策略,分别在buck和boost两种模式下利用状态空间平均法完成了系统建模,得到了各部分的传递函数；将设计的双向DC-DC变换器及超级电容器组参数带入传递函数完成控制系统的建模,利用复频域bode图响应法对电流内环和电压外环的控制效果进行了分析,并探讨了补偿系数和电路不同工作状态对控制性能的影响。 在Matlab仿真平台上完成了对超级电容储能系统控制策略和工作模式的仿真,仿真结果验证了控制器设计和分析的准确性,以及主电路和控制电路之间良好配合；在实验室搭建了城市轨道交通车辆运行工况模拟平台和200kW功率等级的超级电容储能系统,通过平台之间的联调验证了控制策略的稳定性和可靠性,两个车辆运行工况循环的对比说明了超级电容储能系统在吸收再生制动能量和稳定牵引网电压方面的作用。