超级电容储能系统在轨道车辆的应用

朱 波，朴学松，杨建宇

(长春市轨道交通集团有限公司，吉林长春130012)

随着绿色交通的发展，轨道车辆在公共运输中占据了重要的地位。但在某些特定路段，采用架设接触网或修建第3轨的供电方式会出现影响城市的美观或施工困难等问题。超级电容做为大容量储能元件可以为有轨电车在无电网条件下提供电能。它的出现为城市轨道交通的发展提供一个新的方向。

1 超级电容供电系统

超级电容供电系统如图1所示，由电网系统、储能系统、牵引系统组成［1］。储能系统由双向的DC/DC变流器和超级电容组成。为了使超级电容的电压及容量能够满足轨道车辆系统的需要，采取串并联的方式，将超级电容模块组成储能系统。当列车制动时，双向的DC/DC变流器将工作在降压模式，为超级电容器充电，储能系统将列车制动时所产生的再生电能吸收。在车辆起动或无电网时，双向DC/DC变流器工作在升压模式，超级电容器放电，为牵引系统提供电能，供列车牵引或平稳通过无电区。

图1 电网和超级电容混合供电系统

1.1 超级电容的等效模型

RC电路模型是最简单的一种超级电容应用模型［2］。它包括理想电容器C、等效串联电阻ESR和等效并联电阻EPR。ESR在充放电过程中所产生的能量损耗，一般以热的形式表现出来。被称为漏电电阻的等效并联电阻EPR，可以反映超级电容器总的漏电情况。超级电容的自放电回路的时间常数为数十个乃至上百个小时，远远大于它的充放电时间常数。在实际应用中，图2所示的简化等效模型为经典模型。

当超级电容以恒定电流I充放电时，则有式(1)所示的关系。根据式(2)可以得出超级电容充电时间与容值及电压之间的关系。

式中Q为充电电量;C为超级电容的容量;△U额定时间内的电压降;t为充放电时;U为电压。

图2 超级电容器模型

图3 双向buck-boost变换器

1.2 双向DC/DC电路

本设计所采用的双向DC/DC电路是如图3所示的双向buck-boost电路，该电路为超级电容器的充放电主电路，该电路结构简单、效率高［3］。

该电路运行时，可以在不改变变流器两端电压方向的情况下，改变电流方向，这在功能上相当于buck变流器和boost变流器的组合。当充电时，变流器等效为buck变流器，S2截止，D2为续流二极管，开关管S1以一定的占空比进行通断;当放电时，变流器等效为boost变流器，S1截止，D1为续流二极管，开关管S2以一定的占空比进行通断。通过对DC/DC变流器工作状态的变换，可以控制超级电容的充放电，有外电网时可以给超级电容充电，无外电网时超级电容可以为负载供电。

2 控制策略

采用超级电容储能系统的主要目的是在列车大功率牵引或无电网条件下为牵引系统提供电能，并且在列车制动时，为超级电容充电。因此，双向DC/DC变流器采用电压外环控制和电流内环控制的策略。当充电时，它将工作在buck模式下。当超级电容电压较低时，为恒流充电模式。当超级电容两端电压达到一定值时，它的充电电流将逐渐减小，此时将由恒流充电模式转为恒压充电模式，直到充满为止。当列车大功率牵引或进入无电区时，则处于放电状态，DC/DC变流器工作在boost工作模式，输出满足牵引系统要求的电压。由文献［6］知，双向DC/DC变流器buck工作模式与boost工作模式具有相同的控制模型，电路的稳态方程为:

稳态解为:

转换到S域的模型为:

本设计提出的双向DC/DC变换器双闭环控制框图如图4 所示［4］。

图4 双向buck-boost控制框图

采用电压外环和电流内环的双闭环控制，采用PI控制器校正，可使系统稳定性增强，稳定范围宽，更为重要的是系统具有较快的限制电流能力，有效的降低了开关器件、电感等关键元器件的电流冲击。

利用TMS320F28335的EPWM模块可以方便的产生用于控制开关管的PWM波形［5］。设置开关管的开关频率为4 kHz。EPWM1中断通过不断更新比较寄存器A和B的值，从而改变输出占空比。定时器0周期中断更新故障信息，如果检测到故障信息则会封锁脉冲。图5为充电PWM波中断流程图。充电时由EPWM1A输出PWM波，放电时EPWM1B输出PWM波。

3 超级电容在轻轨牵引系统中的应用

本设计已成功应用于沈阳浑南70%低地板轻轨列车中，由于在轻轨线路中有无电区，所以在无电区中采用超级电容组为牵引系统供电，保证列车正常运行。在实际中超级电容组单周期充放电示意图如图6所示:

图5 充电中断流程图

图6 超级电容组单周期充放电示意图

每个“充电—放电”周期包括A、B、C、D4个区段:

A:充电，起始电压250 V，充电至电压550 V。

B:放电，初始电压550 V，输出功率120 kW。

C:放电，输出功率16 kW，停止电压250±5 V。

D:非充电、非放电状态，电压250±5 V，无电流。列车处于惰行状态。

超级电容所能释放的能量与最大电压和最小电压这两个参数有关。若超级电容的容量为CF，额定电压为Umax，最小电压为Umin，则从理论上讲，它可释放的储能量Ws可以表示为:

本设计采用的电容为美国Maxwell公司的BMOD0165 P048 B01型超级电容，其具体参数如表1所示。

表1 Maxwell BMOD0165 P048 B01型超级电容具体参数

本设计中牵引逆变器在一个无电区内对能量的要求为列车以120 kW运行12 s，以16 kW运行80 s。

根据能量公式

列车一个无电区内所需要的能量为:

本设计采用12个超级电容串联为一组，2组并联，共使用24个超级电容。所示超级电容器组的容值为:

额定电压为:48 V×12=576 V

在设计中给定最大充电电压Umax=550 V，最小放电电压Umin=250 V，根据能量公式，超级电容所提供的能量为:

假设DC/DC变流器的效率为90%，超级电容所释放的能量可以满足牵引逆变器的需要。

3.1 超级电容的充电

充电时，主电路拓扑等效为buck电路，如图7所示。

图7 充电模式等效电路

本文设计的轻轨牵引系统额定电网电压为直流750 V。试验时，DC/DC变流器从接触网获取750 V的直流电为超级电容充电，波形见图8。

图8中上面的波形是电网电压;中间的波形是超级电容电压;下面波形是超级电容电流。电网电压为750 V，超级电容电压为250～550 V，超级电容平均电流值为250 A。

从波形可以看出:超级电容先以恒流方式进行充电，在即将充满时，电压接近预充电最高的电压阈值，充电电流逐渐减小，以恒压方式进行充电，最终，电压逐渐升至550 V，充电完成。

3.2 超级电容为牵引系统供电

放电时，主电路等效为boost电路拓扑结构如图9所示，超级电容经过DC/DC变流器输出直流750 V，为牵引系统供电，波形见图10。

图8 超级电容充电波形

图9 放电模式等效电路

图10 超级电容放电波形

图10中，上面的波形是DC/DC变流器输出电压，中间的波形是超级电容组的电压，下面的波形是DC/DC变流器输出电流。DC/DC变流器输出电压为750 V，输出电流最大值为160 A，超级电容电压变化范围为550～250 V。

从变流器输出电压波形可以得出:超级电容放电时，DC/DC变流器输出电压恒定为750 V，为牵引系统提供稳定、可靠的直流电。从变流器输出电流波形可以得出:该储能系统可以满足牵引系统不同功率等级的要求，即满足列车以不同的速度运行。

4 结束语

本文在介绍超级电容等效模型的基础上，深入研究了基于双向buck－boost电路的超级电容储能系统。在有外电网时DC/DC变流器可以从外电网吸取能量，并且可以有效的吸收牵引系统制动时产生的能量。当列车进行大功率牵引或在无电网情况下运行时，超级电容储能系统就会为列车的牵引系统提供能量。本超级电容储能系统已成功应用于沈阳浑南70%轻轨列车的牵引系统中。

［1］ 杨 惠，孙向东，钟彦儒，陶柳英，张鹏程.基于双向DCDC变换器的超级电容器储能系统研究［J］.西安理工大学学报，2011，27(4):456-460.

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［5］ 刘陵顺，高艳丽，张树团，王 昉.TMS320F28335DSP原理及开发编程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2011.

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