基于Matlab的復合型儲能吸收回饋裝置的仿真分析

索紅亮 婁麗麗

摘要：本文詳細介紹了對超級電容儲能系統中時的控制策略，以及通過MATLAB仿真分析對三電平雙向DC-DC變換器的控制策略進行了有效驗證。

關鍵詞：儲能吸收;三電平;控制策略

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）12-0094-02

0 引言

當地鐵機車剎車制動時產生再生制動電能，導致牽引網壓波動過大，這種情況會嚴重影響地鐵機車的正常運行。針對電阻能耗型方案存在的問題，提出了一種應用于地鐵試驗線的超級電容+制動電阻的復合型儲能吸收回饋裝置，讓超級電容器組盡量儲能制動電能，剩余制動電能由電阻吸收，本文分析了三電平雙向直流變換器的控制策略，并在Matlab/Simulink 平臺上搭建仿真模型，驗證了三電平雙向直流變換器拓撲的優點。

1 三電平雙向直流變換器控制策略

在地鐵軌道交通中，機車在制動時，將自身的動能轉化成電能并反送回直流牽引網，在一定程度上減少能源浪費，超級電容器組回收儲存地鐵機車再生制動能量，多余部分再由制動電阻消耗，從而改善牽引網電壓波動，避免地鐵機車再生制動失效。機車加速時，由于線路阻抗的存在導致牽引網壓下降，超級電容器組將儲存的再生能量反饋回直流牽引網，達到能量再利用。復合型儲能吸收裝置連續不斷地工作在充電狀態，保持狀態，放電狀態，通過對三電平雙向直流變換器控制進行狀態間的轉變，實現能量的雙向流動，起到節能和穩壓的作用。因此三電平雙向直流變換器控制策略包括三個控制環節：外環為直流牽引網輸入電壓環，內環為超級電容器組電流環或者制動電阻電流環，根據直流牽引網輸入電壓誤差的大小和正負確定充放電電流的大小和方向[1]。另外對于三電平雙向直流變換器來說，為了保證工作過程中各器件承受的電壓應力始終為直流牽引網輸入電壓的一半還需引入直流電容中點電壓均衡控制，使其工作電壓 Udc1=Udc2=UH/2。

2 仿真分析

復合型儲能吸收回饋系統包括電阻制動吸收系統和超級電容儲能回饋系統兩個部分，根據三電平雙向直流變換器工作原理和控制策略，利用Matlab/Simulink 工具建立三電平電阻制動和超級電容儲能回饋系統仿真模型，驗證控制策略的合理性和有效性[2]。如圖1所示為制動電阻和超級電容復合型儲能吸收回饋裝置的主電路及控制系統。

圖中QS1、QS2為直流斷路器，用于接通接觸網直流母線;KM11、KM21為軟啟動接觸器，RC1、RC2為軟啟動電阻，在設備啟動工作時能夠限制直流電容上電容Cd1、下電容Cd2的充電電流;KM11、KM22為主接觸器，在直流電容上電容Cd1、下電容Cd2充電完畢后接通;L是直流電抗，用于限制直流側故障電流的上升速率，為斷路器跳閘預留足夠時間;Q1、Q2、Q3、Q4是三電平雙向直流變流器的IGBT;L1、L2是濾波電抗，平滑流向超級電容柜的電流和制動電阻的電流;R1-R4是對應的四組制動電阻，Csc是超級電容器組的總容量，CT和VT分別為電流電壓傳感器，采集直流母線電壓、超級電容電壓以及輸出電感電流，Rf為泄放電阻，當超級電容檢修時，用于泄放超級電容儲存能量[3]。

當機車制動減速時，接觸（牽引網）網直流母線電壓抬升，裝置的吸收支路和儲能支路同時動作，其中儲能支路的變換器柜工作在BUCK降壓模式，將直流母線上的能量存儲到超級電容儲能柜中，減緩直流母線電壓的抬升速率，同時吸收支路的斬波柜控制吸收的功率，使接觸網電壓限制在額定電壓（分別根據牽引網DC1500、DC750V設置）以內;當列車啟動加速時，接觸網直流母線電壓拉低，此時，裝置的吸收支路變流器柜工作在BOOST升壓模式，將超級電容的能量回饋到接觸網中，限制了直流母線電壓的下降，而吸收支路則斷開，不產生吸收作用。因此本裝置能夠穩定直流母線電壓，同時減少制動電阻消耗的能量和發熱，產生較明顯的節能降耗和改善直流接觸網系統穩定性的作用。

3 結語

利用Matlab/Simulink 工具建立了電阻制動和超級電容儲能吸收三電平控制系統仿真模型，仿真結果表明以牽引網直流母線電壓做外環，以超級電容充放電流（制動電阻吸收電流）做內環，同時兼備直流電容中點電壓均衡的三環控制系統性能，以達到抑制地鐵軌道牽引網直流母線波動、滿足控制制動電阻和超級電容系統充放電的要求。

參考文獻

[1]胡斌，楊中平，黃先進，等.用于超級電容儲能系統的三電平雙向直流變換器及其控制[J].電工技術學報，2015，30（8）：83-89.

[2]阮新波.三電平直流變換器及其軟開關技術[M].北京：科學出版社，2006.

[3]林飛，杜欣.電力電子應用技術的Matlab 仿真[M].北京：中國電力出版社，2008.

Simulation and Analysis of Composite Energy Storage Absorption and Feedback Device Based on MATLAB

SUO Hong-liang， LOU Li-li

（Langfang Yingbo Electrical Co.， Ltd. ， Langfang Hebei? 065001）

Abstract：In this paper， the control strategy of supercapacitor energy storage system is introduced in detail， and the control strategy of three-level bidirectional DC-DC converter is validated by MATLAB simulation analysis.

Key words：energy storage and absorption; three-level; control strategy