城市轨道车载超级电容储能系统研究

城市轨道交通列车再生制动时产生大量的再生能量,为了有效的利用再生制动能量,近年来储能装置在轨道交通中的应用逐渐成为了热点,其中超级电容作为性能优良的储能元件得到了快速的发展和应用。本文主要对城市轨道交通车载超级电容储能系统进行了研究,为储能装置的研制提供了技术支持。 文章首先介绍了超级电容器件工作原理及性能特点,之后对超级电容储能系统进行了结构和参数设计。储能结构包括双向DC/DC变换器的设计和超级电容器组的设计,为了降低储能装置开关高频率切换所产生的能量损耗,本文引入了电感电流过零的软开关技术,并对其进行了具体分析。参数设计包括电容器组容量和排列方式设计及包括开关器件、储能电感、稳压电容在内的储能系统主要参数设计,并以广州地铁四号线列车数据为例,确定了上述主要参数的具体取值,最后通过仿真验证了系统结构和参数设计的合理性和正确性。 利用状态空间平均法对储能系统建立小信号动态模型并分析其工作性能,采用负反馈对目标电压进行监测,在负反馈补偿系统中对占空比的小信号扰动进行控制,最终给出系统的控制方案,采用原型机参数对于系统各个控制环节进行了具体的参数设置,保证了系统响应的快速性和稳定性。 在超级电容储能系统的城市轨道交通系统模型中,引入“能量宏观表达法”(Energetic Macroscopic Representation, EMR)这种图形化建模工具,依据各模块间作用和反作用原理实现了系统建模。借助于“反转原则”得到最大控制系统(Maximal Control Structure, MCS)框架,通过调节链和控制链将系统各部分有机的结合在一起,为系统控制策略的设计奠定了基础。其中EMR模型主要包括两部分：超级电容储能系统模块和牵引传动系统模块,MCS模型主要包括储能系统控制结构和运动驱动控制结构。 在最大控制系统(MCS)框架下,对各控制结构中的控制器和控制策略进行具体设计,将超级电容器组的充放电控制策略与交流电机的运行状态相结合。同时在Matlab-Simulink软件平台上搭建超级电容储能的城市轨道交通系统仿真模型,设计了各个模块的仿真参数,通过对仿真结果的分析验证了系统控制结构和控制策略设计的正确性和参数确定的合理性,同时展现了“能量宏观表达法”(EMR)建模的优越性。