（电机与电器专业论文）超级电容能量回收系统主电路研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o y 1 嬲必 8 3 ：；| 乏l 甫 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nm a i nc i r c u i to f s u p e r c a p a c i t o r b a s e de n e r g yr e c o v e r ys y s t e m c a n d i d a t e ：l uw e n j i e s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 l0 s c h o o l d e p a r t m e n t ： s c h o o lo fe l e c t r o n i ca n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l l i n e ：e n g i n e e r i n g m a j o r ：e l e c t r i c a lm o t o ra n d a p p a r a t u s s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gy i c h e n g m a r c h ，2 0 1 0 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：强曼杰 2 o i 。年弓月i 弓日 i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：陆支志 z 。i o 年；月f 弓日 i 一一j 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 城市轨道交通在城市发展起到重要作用的同时，也面临着供电质量及节能环 保等问题。超级电容以其长寿命、高功率密度、低污染、大电流充放电等优良特 性得到广泛的应用。将超级电容能量回收系统应用于轨道交通车辆制动能量的回 收可以产生巨大的社会经济效益。 超级电容能量回收系统必须配置双向直流变换器作为主电路，以实现超级电 容的大电流快速充放电。论文首先分析了常用双向直流变换器拓扑，提出了适用 于能量回收系统的主电路框架与拓扑。 然后根据提出的能量回收系统主电路拓扑，论文对主电路参数、控制、驱动 电路进行设计与研究；为增强驱动系统的抗干扰能力，设计光纤连接控制器与驱 动电路；对超级电容能量回收系统的数学建模，经过对其传递函数的分析，进行 线性控制器设计；针对d c d c 变换器的非线性特性，引用p i d 模糊控制方法， 在保证主电路稳定性能不变的基础上，提高了系统的动态性能与抗干扰能力。 最后，搭建双向d c d c 变换器试验平台，试验结果表明设计的软硬件能够 满足主电路的工作要求，p i d 模糊控制的采用取得了良好的效果。 关键词：超级电容，能量回收，双向直流变换器，p i d 模糊控制 t o i t s l o n gd u r a b i l i t y , h i g hp o w e rd e n s i t y , l o w p o l l u t i o n ，l a r g e c u r r e n t c h a r g e - d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c ，s u p e r - c a p a c i t o ri sw i d e l yu s e d t h ea p p l i c a t i o no f s u p e r - c a p a c i t o r - b a s e de n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi n t ob r a k i n ge n e r g yr e c o v e r yo fr a i l t r a n s i tc o u l dm a k et r e m e n d o u sc o n t r i b u t i o nt oe c o n o m i cb e n e f i tf o rt h e s o c i e t y a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n to ft h es u p e r - c a p a c i t o r - b a s e de r s ，ab i d i r e c t i o n a ld c c o n v e r t e rm a i nc i r c u i ti si n d i s p e n s a b l es ot h a tt h e s t e a d y , q u i c kc h a r g e d i s c h a r g e o p e r a t i o nc a l lb ef u l f i l l e d v i aa n a l i z i n gt h et o p o l o g yo fp o p u l a rb i d i r e c t i o n a ld c c o n v e r t e r , t h ef r a m e w o r ka n dt o p o l o g yo fm a i nc i r c u i ti d e a l l ys u i t e dt o e n e r g y r e c o v e r ys y s t e mi sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yp r o p o s e d ，f i r s t l yi t sp a r a m e t e r , c o n t r o la s w e l la sd r i v ec i r c u i ti s d e s i g n e d o p t i c a l f i b e ri ss e l e c t e dt oc o n n e c tc o n t r o l l e ra n d d r i v ec i r c u i t ，w i t hw h i c ht h ea n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a c i t yi s i m p r o v e d s e c o n d l y ，t h e m a t h m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e da n da f t e ra n a l y z i n gt h et r a n s f e rf u n c t i o n ，al i n e a r c o n t r o l l e ri s a c h i e v e d c o n s i d e r i n gt h en o n 1 i n e a rc h a r a c t e r i s t i co ft h ed c d c c o n v e r t e r , ap i df u z z yc o n t r o lm e t h o di si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ed y n a m i ca n d a n t i i n f e r e n c ec a p a c i t yo nt h eb a s i so f s t a b i l i t yo ft h em a i nc i r c u i t a tl a s t ，a ne x p e r i m e n t a lb e n c hi ss e tu p e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t sa n dt h ea d o p o t i o no f p i df u z z y c o n t r o la c h i e v e sb e t t e l e f f e c t k e yw o r d s ：s u p e r - c a p a c i t o r , e n e r g yr e c o v e r y ，b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r , p i df u z z y c o n t r o l i i 目 第l 章绪论 1 1 课题背景与意义一 1 2 超级电容器简介3 1 2 1 超级电容器的优点3 1 2 2 超级电容器的简化模型4 1 3 双向d c d c 变换器的研究现状6 1 3 1 双向d c d c 变换器的拓扑一7 1 3 2d c d c 变换器的建模方法8 1 3 3d c d c 变换器的控制方法9 1 4 本文主要研究内容及结构安排1 0 第2 章超级电容能量回收系统主电路方案研究1 l 2 1 超级电容能量回收系统分析1 1 2 1 1 能量回收系统工作原理介绍1 l 2 1 2 能量回收系统主电路技术要点分析1 2 2 1 3 能量回收系统主电路架构分析1 3 2 2 双向d c d c 变换器拓扑分析1 4 2 2 1 非隔离型双向d c d c 变换器1 5 2 2 2 隔离型双向d c d c 变换器1 9 2 3 能量回收系统的主电路拓扑的提出- - 2 2 2 4 本章小结2 4 第3 章双向d c d c 变换器的设计研究。2 5 3 1 主电路参数设计2 5 3 1 1 储能电感的设计。2 5 3 1 2 滤波电容设计2 7 3 。2 输入滤波器设计2 8 3 3 主电路半导体功率器件选择3 0 3 4 缓冲电路设计3 2 3 5 控制电路及驱动电路设计3 5 3 5 1 基于d s p 2 8 1 2 的控制电路设计3 5 3 5 2s c a l e 驱动保护电路设计3 6 3 5 3 光纤连接器设计4 1 3 6 本章小结4 3 第4 章d c d c 变换器控制研究。4 4 4 1d c d c 变换器小信号建模研究4 4 i i i 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收系统主电路研究 4 1 1b u c k 变换器的小信号模型推导4 6 4 1 2b o o s t 变换器的小信号模型推导4 9 4 2d c d c 变换器线性控制方法研究5 3 4 2 1 线性控制系统结构5 3 4 2 2p i 控制器设计5 4 4 3d c d c 变换器非线性控制方法研究5 6 4 3 1 模糊控制方法介绍5 6 4 3 2p i d 模糊控制在主电路中的应用5 8 4 3 3 模糊控制器设计方法5 9 4 3 4p i d 模糊控制的仿真模型6 4 4 4 仿真结果与比较分析6 5 4 5 本章小结6 6 第5 章双向d c d c 变换器试验研究6 7 5 1 试验平台设计与实现6 7 5 1 - 1 小功率双向d c d c 变换器设计6 7 5 1 2d s p 控制电路6 8 5 1 3 光纤驱动系统试验6 9 5 1 4 模拟量采集系统设计7 1 5 1 5 缓冲电路试验7 4 5 1 6 软件设计j 7 4 5 2 试验结果与分析7 5 5 2 1b u c k 电路试验7 5 5 2 2b o o s t 电路试验7 7 第6 章总结与展望7 9 6 1 总结7 9 6 2 下一步展望7 9 致谢。8 0 参考文献：8 1 个人简历在读期间发表的学术论文和研究成果8 3 i v 1 1 课题背景与意义 近年来，随着我国改革 城市人口急速膨胀、私家车保有量的不断上升，由此引发了交通堵塞、车速下降、 事故频发、环保和能源消耗、汽车尾气及噪声污染等一系列问题。 解决城市的交通拥挤和环境污染问题，必须发展可持续的交通网络体系。借 鉴当代世界主要城市交通网络发展历程，发展高效、环保的轨道交通为骨干，以 常规公共电、汽车为基础的公共交通系统，为社会公众提供快速安全、舒适的交 通方式，降低私人交通工具的出行比例是国际上解决大城市交通问题的成功经 验，也是我国解决大城市交通问题的有效途径。 中国城市轨道交通建设正处于起步阶段，1 9 9 5 年至2 0 0 8 年的1 3 年间，我 国建有轨道交通的城市从2 个增加到1 0 个，城市轨道交通在城市发展和市民日 常生活中的作用越来越重要。轨道交通车辆的运行特点是站间距离短，启动与制 动频繁，在这种工况下，能量的变化相当剧烈，正是这种巨大能量的频繁流动， 造成了电网电压的剧烈波动，也带来了新的问题。 一是供电可靠性问题。供电系统作为轨道交通的重要组成部分，随着线路的 不断增多，使得其复杂程度越来越高，作为负责提供车辆及站内外供电设备的动 力能源，其安全性及可靠性直接关系到地铁的安全、稳定运营。而一旦供电系统 发生故障，将使整条线路失去运营能力，造成重大的经济损失。直流电网电压的 下降将使得列车牵引力不足，影响列车的正常可靠运行。 二是节能问题。根据各城市轨道交通的建设运行现状。一般轨交线路的能耗 为几十甚至上百兆瓦级的，根据国外统计数据，制动能量可达牵引能量4 0 甚至 更多【2 】【3 1 ，目前主要采用再生制动吸收装置处理这部分制动能量。 目前列车制动能量的处理方式是：一部分被邻近列车吸收，多余能量通过制 动电阻消耗。但是当列车发车密度较低时，再生制动能量吸收的概率大大降低， 并不能完全被线路上同一供电区段相邻车辆吸收( 一般为2 0 一8 0 ，根据列车 运行密度和区间距离的不同) ，剩余部分通过车载电阻以发热方式消耗，这又带 来了隧道和站台内的温升问题，增加了站台内环控系统的负担。在国内的部分轨 交线路( 如北京地铁) 上已经反映出温升问题相当严重【4 j 。 因此有必要研发一套系统，最大限度地利用这部分制动能量，不但可以提高 系统供电可靠性，减少车辆的环境污染，也将降低城轨运营的成本，产生巨大的 1 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收系统主电路研究 社会和经济效益，这已经成为轨道交通牵引供电技术发展的方向。 除了电阻耗能型装置外，目前国内外轨道交通系统中可采用的再生制动能量 处理方式【5 】【6 】还有：飞轮储能型、液压储能型、超导储能型、逆变器回馈型、超 级电容储能型等装置，已经投入运营的有飞轮储能型、逆变器回馈型、超级电容 储能型吸收装置。其中，超级电容储能型系统以其使用寿命长、高功率密度、污 染低、便于安装、安全、维护便捷、节能环保等优异特性得到广泛的应用，成为 近年来一个研究热点。 城轨用超级电容能量存储系统在技术上极具挑战性，国外少数大公司已开展 了同类技术前期研发与试运行研究，目前只有西门子、庞巴迪与日本 m e i d e n s h a 这些实力雄厚的大公司做了尝试，并取得了良好效果【7 】【8 1 。 西门子开发的s i t r a ss e s 能量存储系统有两种工作模式。一种是能量存储 模式，该模式下，超级电容器组吸收列车的制动能量。另一种是稳压模式，当电 网电压下降到一定的电压水平时，能量回收系统释放能量补偿电压的跌落。该系 统成功应用的试验线路已达到十余条，分布在波特兰、马德里、科隆、德雷斯顿 等地，成功的起到了节能3 0 ，稳定网压的效果。北京地铁五号线也引入了该系 统，正在进行调试运行阶段。 庞巴迪2 0 0 3 年投入运行了b o m b a r d i e r + m i t r a c e n e r g ys a v e r 。将超级电容器 能量回收系统安装于曼海姆轻轨车辆上。当车辆制动时，系统存储制动能量；当 车辆加速时，超级电容器组与牵引网共同为列车提供能量；当系统供电中断时， 超级电容器组中的能量单独为列车短时供电，确保列车续航1 0 0 0 m 。根据测量， 当不采用能量回收系统，在列车制动时，约1 5 的制动能量能够回馈到其他车辆， 近2 5 的制动能量通过制动电阻消耗。而当采用能量回收系统后，4 0 的制动能 量能够回馈到超级电容器组中。此外，由于能量存储装置的应用，减少了牵引变 电站的输出电流。据测量，该系统使牵引网的线路损耗降低5 ，节能2 7 一3 0 ， 减少对牵引变电站峰值功率的需求，牵引网电压波动减小5 0 ，并可以断电短时 运行。 直流接触网 走行轨 图1 1 轨道交通超级电容器能量回收系统结构图 2 f 第1 章绪论 如图1 1 ，在轨道交通超级电容能量回收系统中，超级电容组作为储能单元 具有充电储能和放电释能两项基本功能。在大功率、快速的充放电过程中，单体 超级电容器的电压很低，超级电容器组组成的储能阵列端电压变化范围非常大， 因此需要一个大功率的双向d c d c 变换器作为主电路进行功率调节。为充分发 挥超级电容器组充放电电流大，放宽工作电压，提高能量的利用效率，稳定、快 速的完成轨道交通能量的回收与释放等功能，离不开主电路的合理设计。 城轨用超级电容能量回收系统在技术上极具挑战性，国内利用超级电容器存 储城市轨道交通车辆制动能量的应用研究尚处于起步阶段。 本课题来源于导师的国家自然科学基金项目利用超级电容器进行城市 轨道交通车辆制动能量回收与释放研究，系统主电路研究是其中一个重要组成部 1 2 超级电容器简介 超级电容器是超级电容能量回收系统的重要组成部分，其特性直接影响着系 统的分析、设计与控制方法的选择。为了更好的与主电路结合工作，必须对其模 型及充放电特性进行分析。本节从这一目的出发，阐述了超级电容器的工作原理 及特性，为整个课题的研究工作奠定理论基础【8 l 9 1 e 1 0 1 。 1 2 1 超级电容器的优点静 超级电容器是一种新型的器件，具有法拉级甚至数千法拉的容量，作为介于 传统物理电容器和电池之间的新型储能系统，超级电容兼具两者的优点，逐步为 各国科研工作者所关注。表1 1 给出了这三种储能装置的性能比较。 表1 1 三种储能装置的性能比较 储能元器件静电物理电容器化学二次电池超级电容器 充电时间( s ) 1 0 r 6 1 0 - 3 ：3 6 0 0l 3 0 放电时间( s ) 1 0 6 1 0 。3 1 0 0 0l 3 0 功率密度( w k g ) 1 0 0 0 05 0 2 0 01 0 0 0 2 0 0 0 能量密度( w k k g ) 1 0 0 0 0 0 从表中可知，超级电容存储的能量呵达到静电电容器的1 0 0 倍以上，同时功 率密度比电池高出1 0 1 0 0 倍。与静电电容器相比其优点是能量密度非常高，容 量可达数千法拉，但是它的耐压较低，受制于电解液的分解电压；漏电较大；容 3 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收系统主电路研究 量随频率显著降低，所以可用作低频容性元件使用。从发展趋势看，超级电容主 要是用来取代或部分取代电池。与电池相比，超级电容具有许多电池无法比拟的 优点： 1 非常高的功率密度。超级电容器的放电电流可以达到上百安培，在大电 流的应用场合，超级电容器可以更好的满足功率的要求。 2 充放电速度快。超级电容器的一个充放电循环时间很短，远远低于蓄电 池的充放电循环所需要的时间。这可以很好的满足机车启动、制动时的时间要求。 3 使用寿命长。超级电容器的循环寿命可达1 0 万次以上，比蓄电池寿命高 1 0 0 倍以上。 4 工作温度范围宽。超级电容器可以在一4 5 1 0 5 的温度范围内正常工 作，远远优于普通蓄电池的高温和低温性能。 随着近年来技术的不断进步，超级电容器在航空航天、电子设备、u p s 系统 和其它任何需要储能的场合可以部分或全部代替蓄电池，具有广阔的应用前景。 超级电容器储能单元可采用模块化设计方法，能够快组装，连接方便，技术 要求不高；由于采用灵活性的模块化设计，单个储能模块容量不大，有利于减小 单个储能模块的惯性时间常数，提高动态时间，同时也便于以后增加存储容量时， 扩容方便。 但是，从目前的产品情况来看，超级电容器主要存在以下的不足之处： 超级电容器单体电压很低、能量密度较低，一般需要进行串并联组合才能达 到所需要的电压等级和储能容量。由于电容量和等效并联内阻等期间参数的差 异，串联单体电容电压在工作过程中的不一致，导致一部分单体电压过低，容量 不能被充分利用，而一部分的电压过高，内部电解液发生分解而失效。因此，需 要进行串联均压处理，以提高其容量利用率和安全性。但会造成一定的能量损耗， 而且增加了系统的复杂程度。 超级电容器组的端电压随着存储能量的变化波动很大，在充放电过程中会不 断的上升或下降，但负载在工作过程中一般要求端电压稳定，从而需要在超级电 容器与负载之间配置配置一个直流转换器，以达到稳压的目的。 此外，由于产业化程度问题，目前超级电容器较贵，大容量电力储能的成本 较高。但随着超级电容器应用范围的扩展和产业化进程的加快，其成本会进一步 降低。 1 2 2 超级电容器的简化模型 超级电容器模型的作用是为了准确的反映出超级电容器的电气特性，模型应 4 第1 章绪论 g 茸嗍 e s r 图1 3r c 串联模型 如图1 3 所示为简单肜串联模型。超级电容充放电时，通常可以忽略表示 静态特性的并联等效电阻( e p r ) 的作用，简化为一个理想电容器与一个阻值较 小的电阻e s r 相串联的模型，从而得到肜串联模型，用以描述充放电的瞬态模 型。 5 nu-上个i 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收系统主电路研究 1 2 3 超级电容器的充放电方法 目前常用的超级电容器充电储能方式简介如下： 1 ) 恒流充电 恒流充电的主要特点是具有较大的适应性，可以任意选择充电电流。对超级 电容器进行恒流充电，超级电容器的端电压随时间按规律升高。 恒流充电的变型是分段恒流充电，即在充电初期设定较大的充电电流，而后 及时根据检测到的端电压值来变更减少充电电流设定值，此方法也称为递减电流 充电法。 2 ) 浮充充电 类似于电化学电源，超级电容器在静止保持态时，以漏电流的形式自放电， 特别是使用有机电解液的超级电容器自放电率要大一些。维持超级电容器备用存 储能量的最佳方法就是在给超级电容器不断浮充充电，以防备存储能量的减少。 在超级电容器的浮充充电储能过程中要注意对电压的监测。 3 ) 组合充电 为了充分利用超级电容器的储能特性，采用灵活的组合充电方式，在低压时 采用大电流恒流充电，随着超级电容器端电压的升高改变为递减恒流充电或恒压 限流等充电方式，直至超级电容器的最高额定电压。 超级电容器放电特性简介如下： 1 ) 小电流放电，e s r 上电压降可以忽略，此时超级电容器等效为理想电容 器，能够按照理想电容的能量公式进行储能容量的分析。 2 ) 当超级电容器大电流放电时，e s r 上压降较大，如果检测到超级电容器 输出端电压u ( o 下降为其规定下限值时，则超级电容器停止放电运行。 随着放电过程的进行，超级电容器的端电压逐渐下降。为满足负载需求及提 高储能利用率，通常需要为超级电容器配置电力电子变换器，通过调节功率变换 器使超级电容器处于恒流放电、恒压放电或恒功率放电等运行模式。 1 3 双向d c d c 变换器的研究现状 在许多的应用场合，如在超级电容能量回收系统中为超级电容充电时，能量 从电网流向电池或电容，放电时则正好相反，在这些场合应用的d c d c 变换器 是双向d c d c 变换器。d c d c 变换器是将一种直流电变换为另外一种形式直流 电的技术，通常d c d c 变换器都是单向工作的。 6 第1 章绪论 双向d c d c 变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的前提下， 根据需要改变电流的方向，从而实现能量的双向流动的直流直流变换器。由于 双向d c d c 变换器能够实现能量的双向流动，因此在储能方面得到广泛的研究。 大功率的双向d c d c 变换器在电动汽车、分布式发电、储能系统、电能质量调 节、可再生能源发电及超导储能系统等领域具有广阔的应用前景。 近年来，有不少机构都对此开展了研究。例如美国国家电力电子系统中心 ( c p e c ) 研究用于燃料电池的双向d c d c 变换器，采用双全桥拓扑和模拟控制 技术；美国橡树岭国家实验室纯燃料电池车f c e v 双d c d c 变换器的研究，主 要在于系统建模，电路分析和仿真，其小功率试验原型采用半桥拓扑和d s p 控 制；此外，日本学者在u p s 和太阳能应用方面开展了一些研究。 国内，对双向d c d c 变换器的研究还处于起步阶段。浙江大学、华南理工 大学、西安交通大学、南京航空航天大学分别在电力电子构架、建模、控制、工 程应用方面在国内处于相对领先地位，而中国科学院电工技术研究所对超级电容 能量存储系统建模与控制的研究起步较早，但应用场合仍为中小功率级别。香港 理工大学对城市轨道交通直流供电网进行了建模仿真研究，西南交通大学对城轨 交通制动能量存储的节能效率进行了仿真估计等。 对d c d c 变换器介绍如下【u 儿1 2 j 。 1 3 1 双向d c d c 变换器的拓扑 与单向直流变换器相同，按照输入与输出之间是否有隔离，双向d c d c 变 换器也分为非隔离型和隔离型两类。 常规的双向d c d c 变换器可简化为含有图1 4 所示双向基本变换单元的结 构，此双向变换单元由两个各自带有反并联二极管的有源开关构成。这些反并联 二极管一般是有源开关器件体内的寄生二极管。 d 1d 2 图1 4 双向d c d c 变换器基本变换单元 7 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收系统主电路研究 对于传统非隔离的单向d c d c 变换器，有六种，即：b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、 c u k 、z e t a 、s e p i e 。而由它们构成的非隔离式双向变换器有四种，即b u c k b o o s t 、 b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i c z e t a 。构成方法就是在原有单向直流变换器的功率开关 管上反并联二极管，二极管上反并联开关管。 传统隔离式的双向直流变换器可以由隔离单向变换器推得，方法与非隔离双 向直流变换器的构成方法相同，即：开关管反并联二极管，二极管反并联开关管。 不但同一种类型的隔离直流变换器可以构成双向直流变换器，不同类型的隔离直 流变换器相互组合也可以构成双向隔离直流变换器。 1 3 2d o d o 变换器的建模方法 随着d c d c 变换器技术的发展，其建模方法也经历了不断发展的过程，现 有的分析方法一般有数字仿真法和解析建模法。d c d c 变换器建模方法分类的 可以用图1 5 表裂1 3 】【1 4 1 。 d c d c 变换 器建模方法 直嚣仿li 问嚣仿li 离散法真法l真法 ”“ 状态空间 平均法 离散连续 结合法 平均值等 效电路法 粼i 旧引i 鬻 效电路法fi 源电路法i1 翟：拦。 图1 5d c d c 变换器建模方法分类 目前p w m 型变换器常用的建模方法有： ( 1 ) 电路平均法从电路出发，对非线性开关元件进行平均和线性化处理， 得到连续导通模式的线性等效电路。 ( 2 ) 状态空间平均法从变换器各个拓扑的状态方程出发，利用开关占空比 加权对时间进行平均处理得到统一的状态方程。 8 ( 3 ) p w m 开关平均法将变换器中的p w m 开关用平均模型代替，建立非线 性、大信号平均模型。 ( 4 ) p w m 基本变换单元法，将典型p w m 变换器分为b u c k 类和b o o s t 类， 得到变换器的小信号模型。 ( 5 ) 利用滑模变结构控制理论对d c d c 变换器进行建模，将开关变换器视 为一个变结构系统，而不作任何简化和近似，直接利用变结构理论对系统直接进 行分析。 ( 6 ) 丘水生等提出的等效小参量法是求解强非线性高阶系统的一种有效方 法，得到了广泛的应用。理论推导表明，d c d c 开关变换器可用一个时变微分 方程统一表示，利用等效小参量求解，可以获得纹波的解析解。 利用建立的双向d c d c 变换器模型，可以对系统的运行特性进行分析：包 括稳态分析、小信号分析和大信号分析。由于功率开关的非线性和控制电路中 p w m 的饱和非线性，开关变换器具有很强的非线性特征，一般来讲为了分析的 方便，将开关变换器的非线性特性分段线性化，然后进行分析其稳态特性和动态 小信号特性，从而建立合理的线性控制方法。状态空间平均法是从开关变换器不 同线性拓扑在一个周期内建立一个与开关状态相对应的状态微分方程组，经过平 均、小信号扰动、线性化处理，得到表征变换器稳态和动态小信号特性的数学模 型，在建模过程中常常需要做出某些近似假定，以简化分析，最后也给出一个统 一的电路模型。其优点是简单，物理概念清楚，可以利用线性电路和古典控制理 论对开关变换器进行稳态和小信号分析，对设计有一定的指导意义。不足是在扰 动信号的频率较高时，特别是接近载波频率的一半时，其准确度比离散法和数字 仿真法低。 1 3 3d c d c 变换器的控制方法 从控制系统的设计而言，d c d c 变换器的控制主要由电压模式控制和电流 模式控制两种。而从实现手段上有模拟实现和数字实现两种，数字控制由于具有 较高的可靠性及灵活性，成为大功率、高性能、智能化d c d c 变换器研究领域 的发展方向【1 5 j 。 控制方法的选择直接影响着d c d c 变换器的稳态与动态性能。d c d c 变换 器的控制方法主要分为线性与非线性两大类。传统的d c d c 变换器多采用经典 的线性p i d 控制，实现调节输出的目的。然而，经典p i d 控制器的鲁棒性较差， 需要建立在被控系统的精确的数学模型之上，对模型的依赖性强，当系统参数有 较大变动时，控制效果会变差，严重时甚至会失去调节作用。 9 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收系统主电路研究 随着计算机技术和控制理论的发展，现代控制技术中的一些理论和方法也纷 纷应用到d c d c 变换器的研究中来。如状态反馈控制，智能控制( 模糊控制， 神经网络和遗传算法) 等，滑模变结构控制，日”控制。开关变换器是一个强非 线性动态系统，与基于线性反馈控制的变换器相比，采用p w m 非线性控制的变 换器具有更好的鲁棒性、更快的动态响应及对输入电源和负载扰动良好的抑制能 力。 1 4 本文主要研究内容及结构安排 本文主要内容介绍如下： 第1 章：介绍了课题背景及意义，介绍了目前超级电容能量回收系统在轨道 交通中的应用，对超级电容器进行了简要介绍，分析了双向d c d c 变换器的发 展现状。 第2 章：对超级电容能量回收系统主电路方案进行了研究，针对系统的工作 需求，提出了合适的能量回收系统主电路架构及拓扑方案。 第3 章：根据采用的主电路拓扑，对主电路进行了详细设计，包括主电路参 数设计与半导体功率器件选择，驱动电路及控制系统设计。 第4 章：研究了双向d c d c 变换器的控制方法，建立了系统数学模型，针 对线性控制方法的不足，设计了非线性p i d 模糊控制方法。 第5 章：设计了小功率双向d c d c 变换器试验平台，介绍了试验平台结构， 。并进行了相关试验，验证前文的软硬件设计及p i d 模糊控制算法的优越性。 第6 章：全文总结及以后工作展望。 1 0 轨遭轨遭 图2 1 超级电容能量回收系统主电路工作原理图 i ， 如图2 1 所示，超级电容能量回收系统主电路主要完成两种功能： 1 ) 当车辆制动时，接触网网压升高，超级电容能量回收系统可与接触网相 连接，为超级电容器组充电回收制动能量，节约能源，并减少接触网网压的提升 以减少制动电阻工作。 2 ) 当车辆启动或加速时，直流母线电压下降，超级电容器组可与牵引变电 站共同为车辆提供能量。此时，能量回收系统的应用可以减少运营对供电系统峰 值功率的要求，从而减缓其电压下跌的趋势。 此外，在供电系统发生供电中断时，超级电容器组还可通过主电路向车辆短 时供电。因此，能量回收系统除具有回收利用存储能量，还能提高系统的供电能 力与供电可靠性。 ，j ：， 根据能量回收系统的工作原理可知，主电路主要有以下几个作用： 1 ) b u c k 模式下，为超级电容器组充电； 2 ) b o o s t 模式下，维持超级电容组放电； 3 ) 在空闲时，主电路还可为超级电容器组存储能量进行自调整。 可见，根据工况不同，要求能量回收系统能与接触网频繁地进行能量交换， 以回收制动能量及分担启动功率。主电路作为功率充电器与放电器，调节超级电 容器组吸收与释放的功率流，以实现大电流快速充放电，是超级电容能量回收系 1 1 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收系统主电路研究 统稳定、快速运行的重要保障。 2 1 2 能量回收系统主电路技术要点分析 主电路应用场合的技术要点分析是其实现过程中最为关键的一个环节。此阶 段需要明确主电路的功率等级，与电网及超级电容器组的接口电压等级，是否有 隔离要求以及变换器的运行方式，系统要求等问题。主电路作为轨道交通牵引网 与超级电容器组之间的接口，根据现有轨道交通的运行特点，应满足以下几点要 求： 1 ) m w 级大功率应用，功率能够按照需要双向流动 以上海地铁一号线为例，当车辆启动时，供电网为每节动车提供约1 m w 的 功率，l 辆地铁车辆一般有4 - - 6 节动车，则一辆地铁车辆启动时所需功率可达4 6 m w 左右；当地铁车辆制动时，据统计会产生相当于运行耗能4 0 左右的制动 能量，则主电路处理的功率为m w 级。 2 ) 满足输入输出变比要求 上海地铁一号线接触网设计制式为直流1 5 0 0 v ，由将交流1 2 0 0 v 不可逆整 流得到，允许的网压波动范围在1 0 0 0 v 1 8 0 0 v 之间【1 6 】。对于主电路的隔离要求， 根据目前城轨用能量回收系统的应用案例，未见有此要求。由于牵引网波动范围 大，根据超级电容器组的端电压范围，主电路必须满足两端电压变比的要求。这 一点可以根据调整超级电容器组的串联数及选择不同的主电路拓扑得以满足。 3 ) 可靠性高，良好的稳态及动态性能、抗干扰性能 轨道交通工况变动频繁，能量回收系统应能迅速根据工况作出判断，为满足 超级电容器组快速充放电工作要求，主电路应能根据一定的控制方法，在轨道交 通电网电压的大范围扰动和干扰下，对控制器给定值能够快速、准确、稳定地做 出响应。 轨道交通作为城市客流运输的重要组成部分，一旦发生停车事故将造成难以 估量的经济损失及不良社会影响，故要求能量回收系统具有较高的可靠性。 4 ) 模块化设计，适合不同线路的功率要求且安装快速 由于城市人口剧增，客流量加大导致线路负荷加大，故为了后期扩展性考虑 及满足不同线路的不同功率需求，要求主电路能够按照需求进行方便地扩容。 5 ) 效率高、成本低、体积小、重量轻 作为能量回收系统，本身应满足节能及成本要求，因此主电路要求损耗低、 效率高、成本低。此外，由于未来可能车载使用，考虑到安装空间的限制、运输 的便利性，要求主电路尽可能体积小，重量轻。 1 2 第2 章系统主电路方案的研究 2 1 3 能量回收系统主电路架构分析 超级电容能量回收系统主电路在城市轨道交通领域应用中，应满足高可靠 性、大功率双向传输、低成本、高效率等要求。主电路的设计时，根据不同车辆 的不同行驶工况，采用灵活、可靠的模块化设计的方法是较好的选择。 采用模块化设计可以实现较大功率和n + i 台的冗余，在大功率能量回收系 统的应用中具有极大的优势【1 7 】： 1 ) 可以用来灵活地扩大系统的容量； 2 ) 可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性； 3 ) 具有极高的系统可维修性能，在单台变换器出现故障时，可以方便的进 行维修与更换。 由于超级电容器组工作电流非常大，故单台双向d c d c 变换器不可能满足 多串超级电容器组能量需求。当需要足够多的超级电容器组储存制动能量时，就 需配备相同数量的变换器。因此，在超级电容器组与主电路之间存在一个架构组 织的问题。 焘 引 网 直 流 母 线 珊d c d c 灿 奎垫墅卜飞 m 台l鋈 面面面习巷 变换器卜1 ( a ) 集中式 鹫翥 器组li 7 刚 n 串i 直 l： 流 超级电容l 母 器组j线 ( b ) 独立式 图2 2 超级电容能量回收系统主电路框架 网 l 器组l i 一 在能量回收系统的应用中，主电路框架的一种框架如图2 2 ( a ) 所示。该方式 为m 台d c d c 变换器之间并联后通过直流母线与n 串超级电容器组的连接。 这种工作方式带来了超级电容器组充放电的均流问题。由于系统高度集中，当某 串超级电容器组故障时，可能影响到整套能量回收系统，故系统可靠性较差。 主电路的另一种框架如图2 2 ( b ) ，该方式使用单个双向d c d c 变换器与超 级电容器组串联作为一个模块与直流母线相连，即双向d c d c 变换器台数等于 超级电容器组的数目，因而不存在超级电容器组间均流的问题。该种方式可在确 保各单元间独立的前提下，根据实际需要的制动与启动功率选择投入的双向 d c d c 变换器台数，从而满足系统的功率要求。而且当某单元故障时，可随时 切除故障部分，能较好地实现系统的冗余，系统可靠性较好。 1 3 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收系统主电路研究 本文采用图2 2 ( b ) 作为主电路的框架方案，选择单台双向d c d c 变换器 带一串超级电容组进行研究。由于超级电容充放电电流较大，对元器件耐压耐流 要求高，因此在单台双向d c d c 变换器中使用交错并联的多重化结构，既可以 减少通过单个器件的电流，选择较少容量的器件，也可以减少输出纹波，减少对 超级电容的冲击【1 8 】。 由于超级电容单体电压较低，根据初步方案，每串选择超级电容器组由7 2 0 节奥威u c e l 5 v 8 0 0 0 0 f 组成( 共4 5 箱，3 个超级电容器柜) 。则超级电容器组侧 的电压为6 4 8 v 1 0 8 0 v ，等效串联内阻为0 3 6 f 2 。根据其技术手册，其额定电 流为3 2 0 a 。本文选择恒流3 0 0 a 设计控制器对超级电容进行充放