城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统分析

城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统分析

赵深，徐卓农

中南林业科技大学计算机与信息工程学院长沙410004

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摘要：主要探讨了超级电容储能系统能量管理系统的控制方法。首先对超级电容储能

系统进行分析；然后在根据超级电容储能系统的数学模型，给出了超级电容储能系统充

放电控制方法，提出了一种超级电容储能系统能量管理的控制策略；最后，利用simulink

仿真平台，模拟了电网网压变化，对超级电容储能系统进行仿真，验证了能量管理系统

功能的有效性，为实际工程提供了理论指导和依据。

关键词：超级电容再生制动能量能量管理

Regenerating Energy Storage System for Urban Railway

Vehicle Analysis

ZhaoShen , Xu Zhuonong

School of Information Science & Engineering, Central South University, Changsha 410004,

Hunan Province, China

Abstract: A control method of ultra-capacitor energy storage system energy management

system is discussed in this paper. First, analysis of ultra-capacitor energy storage system

structure; then a mathematical model based on ultra-capacitor energy storage system, given the

control method of ultra-capacitor energy storage system charging-discharging. Proposed a

control strategy for ultra-capacitor energy storage system energy management. Finally,

simulating the pressure changes of network on the simulink simulation platform. The super

capacitor energy storage system simulation to verify the effectiveness of energy management

system functions. This paper provides a theoretical basis for the practical guidance and

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（Super 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，存储电能；二是能量变换装置双向DC-DC变换器。

图1地面式超级电容储能系统结构图

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，是很多单体超级电容通过串、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R0和一个理想电容C0构成。假设超级电容器由n个特性一致的电容C0串联成一条支路，再由m条相同的支路并联组成，则超级电容组的容量为

C=(C0×m)/n(1)

等效内阻为

r=(R0×n)/m(2)

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U1变换至U2，可得超级电容器组释放能量为

C(U12+U22)(3)

E=1

2

在已知列车牵引、制动能量，直流电网电压和超级电容单体参数，然后由式(1)(2)(3)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。

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，但电流方向改变，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，需要进行直流转换处理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，见图2。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。