城軌交通車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理及容量配置研究.pdf

1、城市軌道交通與其它交通方式相比具有運(yùn)量大、運(yùn)行能耗低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。近些年來，隨著城軌列車采用再生制動(dòng)技術(shù)的普及，列車再生失效問題頻繁發(fā)生。如何采用儲(chǔ)能技術(shù)確保一定的再生負(fù)荷來防止再生失效問題的發(fā)生，減少列車運(yùn)行能耗成為世界城市軌道交通中的研究熱點(diǎn)。超級(jí)電容以其充放電速度快、低污染、高效率、循環(huán)使用壽命長等特點(diǎn)在解決城市軌道列車再生失效問題中有著獨(dú)特的優(yōu)勢和發(fā)展前景?；诖吮尘埃菊撐膰@車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理控制策略和容量配

2、置問題進(jìn)行深入研究。
　　采用頻率分析法對(duì)城軌列車負(fù)荷特性和超級(jí)電容頻率特性進(jìn)行研究，討論了二者的匹配關(guān)系。通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了一階RC超級(jí)電容器組模型具有足夠的精度，可以滿足車載超級(jí)電容儲(chǔ)能控制系統(tǒng)建模和控制參數(shù)整定的要求?；诖四Ｐ蛯?duì)恒電流、恒功率充放電方式下的充放電效率進(jìn)行了研究，為儲(chǔ)能裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。
　　考慮城軌列車運(yùn)行特性并兼顧解決直流供電網(wǎng)中的再生失效問題，提出了一種車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)間接電

3、流控制策略。該控制策略包含四個(gè)控制環(huán)節(jié):線網(wǎng)電流環(huán)、直流網(wǎng)電壓環(huán)、超級(jí)電容電流環(huán)和超級(jí)電容的SOC(state of charge)環(huán)。通過對(duì)線網(wǎng)電流環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)間接控制超級(jí)電容電流和保證超級(jí)電容充放電工況隨列車運(yùn)行工況自動(dòng)切換。基于小信號(hào)模型法，建立了直流網(wǎng)電壓環(huán)的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)直流網(wǎng)電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)的分析，指出了要保證直流網(wǎng)壓有較好的動(dòng)態(tài)性能，需要在超級(jí)電容工作電壓最低情況下來設(shè)計(jì)最佳阻尼比。根據(jù)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置對(duì)充放電電

4、流的雙向流動(dòng)性要求，建立了超級(jí)電容雙向電流統(tǒng)一控制模型，給出了統(tǒng)一控制器的設(shè)計(jì)步驟。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制器可保證超級(jí)電容充放電工況切換時(shí)的平滑過渡。超級(jí)電容SOC(state of charge)與充放電電流的約束關(guān)系可以防止超級(jí)電容充放電時(shí)過充或者過放。
　　設(shè)計(jì)了車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了單列車負(fù)載特性模擬和多列車運(yùn)行時(shí)直流網(wǎng)壓波動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)模擬。采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了此平臺(tái)的多臺(tái)裝置協(xié)調(diào)動(dòng)作和各系統(tǒng)狀態(tài)變量

5、的觀測。基于此平臺(tái)完成了對(duì)所提出控制策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　針對(duì)車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置問題，本文提出從全局車和網(wǎng)之間能量交換的角度進(jìn)行研究，建立了車、網(wǎng)、儲(chǔ)能裝置三者相耦合的城市軌道交通車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真平臺(tái)。針對(duì)于傳統(tǒng)算法在考慮再生制動(dòng)時(shí)求解直流網(wǎng)潮流解析時(shí)不收斂問題，本文提出一種新的潮流仿真算法——組件分割等效法。通過與簡單數(shù)值解法結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性，相對(duì)誤差范圍在0.5％以內(nèi)。
　　提出了一種考慮超