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原文传递城轨交通超级电容储能系统关键技术研究

论文题名：	城轨交通超级电容储能系统关键技术研究
关键词：	城市轨道交通;超级电容;储能系统;能量管理;直流-直流变换;均压控制
摘要：	轨道交通由于其运载量大、安全性高、运行能耗低等优点，在城市交通发展中得到迅速的普及，但随之带来的车辆制动能量耗散问题愈来愈严重，如何有效、安全、可靠地对车辆制动能量进行吸收再利用是世界城市轨道交通中研究的热点问题。超级电容以其功率密度大、充放电效率高、循环寿命长等优点在轨道车辆制动能量再利用方面有着明显的优势和应用前景。本文以置地式城轨交通超级电容储能系统为对象，对应用于1500V及以上的高压大容量双向DC-DC功率变换技术、储能系统的控制策略、置地式储能系统系统配置及超级电容组间的均压等关键问题进行了深入研究。　　传统双向DC-DC变换系统应用于1500V轨道交通超级电容储能场合存在超级电容串联单体数目多不利于均压控制、高压大功率条件下开关器件高du/dt带来电磁干扰大、功率器件选择困难等问题，针对以上问题，研究了一端串联一端独立的双向DC-DC变换系统的工作特性和控制技术，通过储能变换模块串联的方式降低超级电容单体直接串联的数目，同时降低了变换器的开关器件应力。基于功率平衡的原理对该变换系统的串联侧均压和独立侧均流关系进行了分析，给出了一端串联一端独立储能系统的控制思路，在此基础上提出了高压侧级联Buck/Boost双向直流变换器（High-voltage-side cascaded Buck/Boost bi-directional DC-DC converter，HCBDC）的双闭环控制策略及控制器参数设计方法，不但能实现级联侧各模块的输入均压，还能实现输入均压控制与系统电流控制的解耦，进一步提出了高压侧级联储能变换系统的模块化控制结构。通过实验验证了该双闭环控制策略在实现超级电容充放电的同时能够保证串联侧模块端电压的均衡。为了解决储能系统中双向 DC-DC变换器的软启动问题，设计了基于FPGA实现的储能和释能两种工作模态下双向变换器的软启动控制策略，并通过仿真和实验验证了软启动控制策略抑制浪涌电流的有效性。　　对基于级联BDC的超级电容储能系统设计及能量管理策略进行分析研究，依据相关技术要求，确定了超级电容储能系统的总体技术方案，并对超级电容组的选取、均衡电路方案、双向DC-DC功率电路及系统关键参数的设计进行了研究。为了有效抑制车辆启动/制动引起的牵引网电压扰动，同时有效利用车辆再生制动能量，提出了一种根据母线电压变化及超级电容荷电水平（State of Charge，SOC）进行超级电容储能管理的能量控制策略，该方法实现简单，并能根据母线电压的变化实现超级电容储能系统各工作模态的自由切换，避免了由于电压检测干扰而产生系统模态跳变所带来不稳定的问题，同时还可以实现超级电容的过充和过放保护。基于储能系统的控制需求提出了控制系统的架构和实现方式，对控制功能进行合理划分，提出了软件实现方案。在理论分析和仿真研究的基础上，制作了1500V置地式超级电容再生制动能量利用系统样机，并搭建了1500V轨道交通供电系统试验平台，通过试验验证了本文所提出的储能系统方案和控制策略的的可行性及正确性。　　为了进一步提高高压大功率超级电容储能系统的性能，对几种新型超级电容储能变换方案进行了分析研究。研究得出，在同等高压大功率应用场合下，采用多相交错单元的高压侧级联双向DC-DC拓扑（High-voltage-side cascaded multi-phase interleave bi-directional dc-dc converter，HCMIBDC）以及基于模块化多电平双向直流变换器（Modular multilevel bi-directional dc-dc converter，MMBDC）拓扑由于采用模块化结构，其开关应力较小，同时通过采用交错移相控制使得在相同电流纹波率下电感的体积和重量仅为传统Buck/Boost双向变换器的1/N2（N为交错或串联的Buck/Boost单元模块数量）。在此基础上对基于MMBDC的储能系统的基本特性和控制策略进行了研究，提出了适合该储能变换器的双闭环控制策略，在控制系统充放电电流的同时能确保各串联储能模块间的可靠均压，通过仿真及实验验证了理论分析结果和所提出的控制策略的正确性。
作者：	武伟
专业：	电力电子与电力传动
导师：	谢少军
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京航空航天大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文