超級電容儲能系統硬件設計

邢華剛++李凱++錢榮++興志

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.083

摘 要：城市軌道交通需要頻繁啟動和制動，由于傳統牽引供電變電站不能反向吸收能量，車輛再生制動時產生的多余能量都被浪費。針對超級電容在軌道交通應用方面的特點，給出了三電平雙向直流變換器的工作原理，并完成了參數設計，最后設計了基于DSP控制器的硬件電路。本系統具有控制精度高、響應快等優點。

關鍵詞：超級電容 城市軌道交通 功率

中圖分類號：U270 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（c）-0083-03

軌道交通車輛運行的特點是站間距離短、運行速度高、啟動與制動頻繁。如何有效回收軌道車輛的制動能量，提高整個系統的能量利用效率，增強電網電壓的穩定性，對軌道交通系統安全、可靠、高效運行有著重要的意義。超級電容作為軌道交通的儲能單元，可以滿足啟動頻繁、加速、爬坡的高功率要求，同時在制動時可以進行大功率的能量回收。但基于超級電容的城市軌道交通儲能系統，目前還沒有成熟產品，而國內研究采用超級電容器吸收再生制動能量也才剛起步，所以研究超級電容儲能系統具有很大的發展空間。

1 功率拓撲結構設計

三電平DC-DC分為共地和不共地兩種拓撲，圖1為輸入輸出共地式拓撲，其中Cfiy為飛跨電容，Q1、Q2、Q3、Q4是四只開關管，L是濾波電感，VH和VL分別是高端電壓和低端電壓，CH和CL分別是高壓端電容和低壓端電容。穩態時Cfly是飛跨電容，電壓為輸入電壓的一半，即Vcfly=VH/2。

在儲能系統中對超級電容進行充電，對于雙向DC-DC變換器來說為Buck模式；超級電容中的電放到系統中，對雙向DC-DC變換器來說為Boost模式。在Buck模式下占空比D=UO/Ui，在Boost模式下占空比D=（UO-Ui）/Ui；控制Q1～Q4的占空比D分為D>0.5和D<0.1兩種模式，在Buck模式下把Q1和Q2定為主控開關管，Q3和Q4為受控管，在Boost模式下把Q3和Q4定為主控開關管，Q1和Q2為受控管。如圖2所示，為D>0.5時刻驅動波形。

2 功率拓撲參數設計

2.1 電感參數設計

電感L可按照Buck模式來確定，輸入為額定電壓1500V，輸出電壓為400～800V，占空比的變化范圍D=0.26～0.53。由圖3可知，當D=0.26時電感電流脈動最大，因此應在此條件下計算所需電感量。

可以得到Buck三電平變換器電感的計算公式：

（1）

式中：ΔIf為電感電流脈動值，取A，根據式（1）求得電感為：

（2）

2.2 低壓端電容計算

CL可以根據Buck模式輸出濾波電容的電壓脈動來計算。電容電壓脈動由兩部分構成：紋波電流在電容ESRL上引起的脈動和紋波電流對電容充放電引起的脈動。電壓脈動主要由ESRL決定，因此可以通過下式計算ESRL：

（3）

Buck模式下輸出濾波電容的紋波電流即為電感脈動電流。式中為電容電壓脈動值，取，則可得：

（4）

根據電解電容的容量與ESR的關系式，可以計算CL：

（5）

實際取μF。最后選用額定值為1200V/100?F 的電容。

3 雙向DC控制系統硬件設計

3.1 總體結構設計

控制電路主要由供電電路和功能電路兩部分組成，如圖4所示。

3.2 控制芯片

主控芯片采用TI公司的TMS320F28335對整個系統進行控制，主頻150MHz，12路PWM。由于變換器工作中需要Q1和Q4互補，Q2和Q3互補，為保證可靠，增加了CPLD進行邏輯控制。

選擇Altera公司的5M160Z（修改為10M02SCE144I7G EQFP144）EQFP64封裝，160邏輯單元。

3.2.1 IGBT與驅動設計

IGBT選擇4個IXGH6N170A（1700V/12A）作為三電平雙向DC-DC變換器的被控單元，實現電流的雙向流動。

IGBT驅動采用HCPL3120光電耦合器進行4個IGBT的驅動，實現控制功能。

3.2.2 電流電壓采集單元設計

電壓采集采用差分采集方式，利用HCNR201高精度線性光耦進行內外電隔離，電流采集采用ACS716芯片，溫度采集采用NTC熱敏電阻或者DS18B20芯片進行實現。如圖5所示。

4 結語

城市軌道交通為市民的出行提供了便利的條件，有效地緩解了交通擁擠的壓力，發展迅速。如何有效回收軌道車輛的制動能量，提高整個系統的能量利用效率，增強電網電壓的穩定性，對于軌道交通系統安全、可靠、高效運行有著重要的意義。本文以軌道交通超級電容儲能系統為研究對象，對應用于高壓牽引供電系統的超級電容儲能系統的構成、高壓大容量雙向DC-DC功率變換技術等問題進行分了析和研究。

參考文獻

[1] 張國駒，唐西勝，周龍，等.基于互補PWM控制的Buck/Boost雙向變換器在超級電容器儲能中的應用[J].中國電機工程學報，2011，31（5）：15-21.

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