復合型儲能吸收回饋裝置在地鐵試驗線牽引系統中的應用

文/索紅亮 婁麗麗

1 引言

作為聯系直流牽引網和超級電容及制動電阻的中間轉換媒介，雙向直流變換器的選擇至關重要，由于地鐵軌道交通直流牽引網電壓等級高，而且輸出電流大，所以采用三電平雙向直流變換器調整超級電容和制動電阻的充放電電流大小。三電平雙向直流變換器相對于傳統兩電平直流變換器，其主要優勢在于：開關管承受的電壓應力是兩電平直流變換器的1/2，且可以大大減小輸出電感的體積、降低動態響應時間；正是由于這兩個優點，三電平雙向直流變換器在高直流電壓以及低壓大電流等場合應用前景廣闊。

圖1：三電平雙向直流變換器超級電容器組充電控制邏輯控制框圖

2 三電平雙向直流變換器

2.1 工作原理

雙向直流變換器作為聯系直流牽引網和超級電容及制動電阻的中間轉換媒介，由于地鐵軌道交通直流牽引網電壓等級高，而且輸出電流大，所以采用三電平雙向直流變換器調整超級電容和制動電阻的充放電電流大小。三電平雙向直流變換器相對于傳統兩電平直流變換器，其主要優勢在于：開關管承受的電壓應力是兩電平直流變換器的1/2，且可以大大減小輸出電感的體積、降低動態響應時間。三電平雙向直流變換器拓撲，輸出側接超級電容或者電阻。其中輸入端直流電源，對應于地鐵軌道交通牽引網，三電平雙向直流變換器工作在buck和boost兩種狀態時，其區別僅為電感電流方向相反。

2.2 外特性分析

一方面兩電平變換器的開關管電壓應力為輸入端高電壓，而三電平雙向直流變換器的具有開關管電壓應力只有輸入端高電壓的一半，這在IGBT器件選型上三電平變換器是一大優勢，另一方面三電平雙向直流變換器輸出端電壓與兩電平相比，由0、UH/2 和UH 三種電平擬合而成，輸出等效開關頻率是兩電平雙向直流變換器的2倍，輸出電壓的交流分量比兩電平小很多，在輸出電流紋波不變的情況下，能有效減小電感體積，提高變換器的動態性能及效率。

2.3 控制策略

在地鐵軌道交通中，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。

根據圖1所示，外環為直流牽引網電壓環，檢測牽引網總電壓值作為反饋，和額定牽引網電壓指令進行比較后，經過PI控制器調節之后，送入電壓環限幅器，其作用是保護超級電容器組或者制動電阻因超出功率而損壞，經限幅后作為超級電容器組或者制動電阻的充放電電流參考值；內環為充放電電流環，電流環的參考值為牽引網電壓外環輸出值，如果是超級電容儲能，則還要加入超級電容額定電壓的限定，即超級額定電壓與超級電容反饋電壓值做比較后，作為內環電流的限定，當超級電容電壓值大于或等于額定電壓值值時，限定Iref=0，當超級電容電壓值小于額定電壓值時，再根據Iref的大小進行判定，當Iref>0時充電，Iref<0時放電，檢測變換器電感電流值作為反饋，和電壓外環的輸出值進行比較后，經過PI控制器調節之后，送入電流環限流器，其作用是限定了驅動脈沖占空比處于一定范圍，保證電容器組端口電壓在最大充電限制電壓以內，經限流后作為超級電容器組或者制動電阻的端口電壓信號；另外需要直流電容中點電壓均衡控制環來保證變流器在工作過程中各器件承受的電壓應力始終為直流牽引網電壓的1/2，檢測直流上、下電容電壓值，計算出偏差值，經過PI控制器調節之后，送入均壓限幅器，其作用是限定了調整直流電容電壓均衡控制驅動脈沖占空比處于一定范圍，保證變流器在工作過程中各器件承受的電壓應力始終為直流牽引網電壓的1/2，經均壓限幅后與端口電壓信號進行擬合，再與牽引網電壓進行比較分別得到Q1、Q2、Q3、Q4的驅動脈沖，開關管交錯互補控制：該變換器中四個開關管應該采取如下的驅動信號：buck模式下，Q2和Q3關斷，驅動管是Q1和Q4，Q1與Q4交錯工作，驅動信號相差180°；boost 模式下，Q1和Q4關斷，驅動管是Q2和Q3，Q2與Q3交錯工作，驅動信號相差180°。

3 結論

本文基于三電平雙向直流變換器的結構特點和理論分析，結合制動電阻+超級電容混合儲能吸收裝置，研究采用三電平雙向直流變換器的控制策略，控制直流電容中點電壓始終為輸入端電壓的一半，實現了降低器件關斷電壓應力到輸入電壓1/2，有利于IGBT的器件選型。