（电机与电器专业论文）超级电容能量回收控制系统的设计与研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 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 d e s i g na n dr e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo f sup e r - c a p a c i t o r - b a s e de n e r g vr e c o v e r y j l 。- o-一 s y s t e m c a n d i d a t e ：h e x i a o g u a n g s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 0 8 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o l o fe l e c t r o n i ca n d i n f b r m a t i o ne n g l n e e n n g ， 一 d i s c i p l i n e ： e l e c t r i c a le 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 r sa 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 爹 学位论文版权使用授权书 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：彳百疵制 - ioi 口年弓月i 弓日 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、已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：佰哟杉 砂1 口年月l 弓日 _ j 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 随着经济的发展，我国对能源的需求日益增长，但能源供给日益紧张。随着 技术的发展，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 产生巨大的节能意义和经济效益。 针对轨道交通车辆超级电容能量回收系统，本文进行了控制系统的设计与研 究。首先分析了适用于能量回收系统的结构，确定了分布式系统组成方式，针对 能量回收系统的工作目的进行需求分析并制订了工作流程。在此基础上，进行了 控制策略、控制系统抗干扰、系统故障分析处理以及d c d c 控制研究，确定系 统设计方案。 根据能量回收系统结构，控制系统设计目标的实现需要合理的通信方式支 持。在对现场总线技术进行分析与比较后，选择了c a n 总线构成系统通信网络。 考虑到通信系统的抗干扰性和电气隔离的需要，设计了光纤c a n 总线系统。此 外，进行了基于c a n o p c n 的能量回收系统通信协议的制定。 对于控制系统的实现，首先进行了硬件电路的设计。进行了控制板和调理电 路的设计制作与调试，以完成控制系统所需功能。在软件设计中，采用d s p b i o s 嵌入式操作系统，通过分解任务，合理设置线程，简化了软件设计，提高了控制 系统性能。 最后，通过试验对所设计的控制系统进行了相应的测试与验证，给出了结论， 也提出了今后需要进一步研究的方向。 关键词：能量回收，d c d c 控制，光纤c a n 总线，d s p b i o s t o n g j iu n i v e r s i t ym a s t e ro fe n g i n e e r i n ga b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ed e m a n df o re n e r g yi sg r o w i n g ，w h i l et h e e n e r g ys u p p l yi sb e c o m i n gt i g h t a st h et e c h n o l o g yd e v e l o p s ，s u p e r - c a p a c i t o r - b a s e d e n e r g yr e c o v e r ys y s t e mc a nb ea p p l i e di nr a i lt r a n s i tv e h i c l eb r a k i n ge n e r g yr e c o v e r y a n dt h es y s t e mc a ng e n e r a t ee n o r m o u se n e r g ya n dg i v eg r e a te c o n o m i cb e n e f i t s t h et h e s i sc o n d u c t st h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mf o rr a i lt r a n s i t e n e r g yr e c o v e r ys y s t e m f i r s tt h e d i s t r i b u t e ds y s t e ms t r u c t u r ei sa d o p t e df o rt h e e n e r g yr e c o v e r ys y s t e m t h e nt h e w o r kr e q u i r e m e n t st h ew o r k f l o wo fe n e r g y r e c o v e r ys y s t e ma r ea n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，t h ed e s i g np r o p o s a lo ft h ec o n t r o ls y s t e m i sm a d e ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o ls t r a t e g y , a n t i i n t e r f e r e n c eo fc o n t r o l s y s t e m ，s y s t e mf a i l u r ea n a l y s i sa n dd c d cc o n t r o lm e t h o d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fe n e r g yr e c o v e r ys y s t e m ，t h ed e s i g nd e s t i n a t i o no f c o n t r o ls y s t e mr e q u i r e sa p p r o p r i a t ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d w i t ht h ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no ft h ef i e l d b u st e c h n o l o g y , t h ec a n b u si ss e l e c t e dt o c o n s t i t u t et h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t so fa n t i i n t e r f e r e n c ea n d e l e c t r i c a l i s o l a t i o n ，o p t i c a l f i b e rc a nb u ss y s t e m i sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，t h e c a n o p e n b a s e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o re n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi sc o n d u c t e d f o rt h er e a l i z a t i o no fc o n t r o ls y s t e m ，f i r s ti st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n t h e d e s i g na n dd e b u go f t h ec o n t r o lb o a r da n ds i g n a lc o n d i t i o n i n gb o a r da r ep e r f o r m e dt o i m p l e m e n tf u n c t i o n so ft h ec o n t r o ls y s t e m i ns o f t w a r ed e s i g n ，t h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e md s p b i o si sa d o p t e d w i t ht h et a s kd e c o m p o s i t i o na n ds e t t i n gu p r e a s o n a b l et h r e a d s ，t h ed e s i g no fs o t h a r ei ss i m p l i f i e da n dp e r f o n n a n c eo ft h ec o n t r o l s y s t e mi si m p r o v e d f i n a l l y , t h et h e s i sp r e s e n t st h ec o n c l u s i o no fc o n t r o ls y s t e mb ye x p e r i m e n t sa n d g i v e sp r o p o s a lf o rf u r t h e rs t u d i e s k e yw o r d s ：e n e r g yr e c o v e r y , d c d cc o n t r o l ，f i b e r - c a nb u s ，d s p b i o s i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第l 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 研究现状1 1 3 研究意义及内容2 第2 章能量回收系统控制方案研究4 2 1 引言4 2 2 超级电容能量回收系统分析4 2 2 1 能量回收系统的结构4 2 2 2 能量回收系统控制流程6 2 2 3 能量回收系统控制策略7 2 3 控制系统抗于扰研究9 2 3 1 通信系统抗干扰方法9 2 3 2 控制电路抗e m i 方法1 0 2 3 3 软件抗干扰方法以0 2 4 系统故障分析及处理研究1 3 2 5d c d c 的控制研究1 4 2 5 1 小信号传递函数推导15 2 5 2 小信号传递函数的验证1 7 2 5 3p i 控制方法一l9 2 5 4 模糊控制方法一2 3 2 6 小结夏4 第3 章通信系统设计与研究2 5 3 1 引言j ：一2 5 3 2 现场总线介绍及选择2 5 3 2 1 现场总线简介2 5 3 2 2 现场总线的应用特点2 6 3 2 3 几种有影响的现场总线技术2 7 3 2 4 通信系统总线的选择2 7 3 3 光纤c a n 总线系统的设计2 9 3 3 1 光纤c a n 总线的拓扑选择3 0 3 3 2 光纤收发器的设计3 1 3 3 3 光纤集线器的设计3 2 3 3 4c a n 总线的位时间设置3 3 3 4 高层协议研究与设计3 6 3 4 1c a n o p e n 协议介绍3 6 3 4 2 基于c a n o p e n 的能量回收系统通信协议设计3 9 t 同济大学硕士学位论文目录 3 5 小结3 9 第4 章控制系统硬件设计4 l 4 1 引言4 1 4 2d s p 控制板的设计4 l 4 2 1 硬件电路设计4 2 4 2 2 控制板的使用4 8 4 3 调理电路硬件设计4 8 4 3 1 调理电路分析4 8 4 3 2 调理电路设计4 9 4 3 3 参考电压源设计5 0 4 3 4 调理电路测试5 1 4 4 小结5 2 第5 章控制系统软件设计5 3 5 1 引言5 3 5 2 软件开发环境介绍5 3 5 2 1c c s 3 3 介绍。5 3 5 2 2d s p b i o s 简介5 4 5 3 总控器软件设计5 6 5 3 1 软件设计任务分析5 6 5 3 2 基础代码设计5 6 5 3 3 软件线程设计一5 7 5 3 4 软件流程设计5 9 5 3 5 控制策略算法实现6 l 5 4d c d c 控制器软件设计6 1 5 4 1 软件设计任务分析6 2 5 4 2 软件线程设计6 2 5 4 3 软件流程设计6 4 5 4 4 数字p i 算法研究6 6 5 5 小结6 7 第6 章试验及总结6 8 6 1 式验6 8 6 2 结论7 0 6 3 下一步工作展望7 1 致谢一7 2 参考文献7 3 附录a 基于c a n o p e n 的能量回收系统通信协议设计7 5 附录b 部分程序代码8 3 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果8 9 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着经济的发展，我国对能源的需求日益增长，但能源供给日益紧张。在此 背景下，国家提出了节能减排的目标，支持节能技术的开发和推广。 在城市公共交通中，地铁作为一种大运量、高密度的交通工具扮演着越来越 重要的角色，目前世界上许多城市都己开通或正在建设地铁。地铁列车依靠电力 牵引运行，牵引负荷是地铁供电系统中主要负荷，其用电量相当可观。地铁列车 运行具有站间运行距离短、运行速度较高、起动及制动频繁等特点。列车启动消 耗大量的电能，而再生制动时却会产生大量的电能。据国外统计数据显示，地铁 系统再生制动产生的能量可以达到整个地铁牵引能量的百分之四十岁。如果对 这部分能量回收再利用可以节约大量电能消耗，并减轻电网负担，具有重大的节 能意义。 超级电容是近年来快速发展的一种大容量电容器，它在新型清洁能源、室内 运输车、频繁起动和制动的城市公交车和大功率的港口机械等领域展示了独特的 优越性。它是一种电容器件，但与常规电容器不同，其容量可达到法拉级甚至数 万法拉，而且能在电极端电压超过额定电压的过充电状态下不被击穿。超级电容 作为一种理想的新型能源器件，它的比功率和比能量介于常规电容器和充电电池 之间，在众多的应用领域里弥补了常规储能器件的单方面缺陷。除此之外，它还 具有内阻小、充电速度快、充放电效率高、循环寿命长、无污染等独特的优点【2 】。 由于超级电容器具有非常高的功率密度，可在电动车启动、加速时提供强大的动 力，并能及时回收再生制动的能量，在电动车领域有着广阔的应用前景。 基于超级电容的能量回收系统在地铁系统中具有广阔的应用前景，且得到国 家政策支持和鼓励。在国家发展和改革委员会科学技术部修订的中国节能技术 政策大纲( 2 0 0 6 ) “推广先进的电力牵引供电方式”一节中即包括研制和开发再 生制动的内容【3 】。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，进行控制系统设计与研究， 是其中一个组成部分。 1 2 研究现状 目前超级电容作为储能设备己在混合动力汽车，超级电容公交车中得到一些 成功应用 4 】，在这类车辆中超级电容能量回收系统也有很多相关研究，通过回收 l 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收控制系统的设计与研究 制动时的能量达到延长车辆行驶距离的目的，如文献【5 】 6 】等。但是由于轨道交 通与一般电动车辆相比具有峰值功率大，回收能量巨大，制动和启动信号不易获 得，以及对可靠性的要求高等特点，使得用于轨道交通的超级电容能量回收系统 的设计难度更高。相关论文较少，且没有具体的设计资料可供参考。目前西门子 的静态能量存储系统s i t r a ss e s 已投入实际应用，但仅有少量参考资料【_ 7 】【8 j 。 西门子的s i t r a ss e s 系统，具有稳定电压和存储能量两大特点。在列车制 动时吸收再生能量，防止网压过高；在列车启动加速时释放能量，作为电网的补 充，能在多车启动时防止网压过低。系统工作时间约为2 2 小时天，减少了约 5 0 0 m w h 或3 0 的年主要能源需求。稳定网压的功能提高了公共交通系统的可 靠性，同时也改善了乘车环境。这套系统目前在美国，欧洲和中国都有应用【8 】。 在国内，随着经济的发展，各大城市的轨道交通也得到了快速的发展，仅上 海这几年就将有多条新轨道交通线路建成投入使用。但是与此同时，国内对于用 于轨道交通的能量回收系统的理论研究和实际应用与国外相比还有很大差距。完 全采用外国设备将是很大的经济负担，加快发展具有自主知识产权的超级电容能 量回收系统显得很有必要。 1 3 研究意义及内容 超级电容能量回收系统在地铁中的应用具有重大的实际应用价值。一方面可 以回收地铁制动能量，节约电能；另一方面可以稳定接触网电压，减轻电网和列 车设备压力。本课题通过对控制系统的设计与研究，确定合理的控制方法，能够 提高系统的可靠性，使系统不引起电网设备的误动作，不对电网造成危害，在不 影响原电网正常运行的情况下实现能量回收和再利用，尽可能使系统安全可靠， 易于使用和维护。 本文主要内容包括以下几个方面： 1 ) 控制系统方案研究 研究了能量回收系统的特点和结构，选择合适的控制系统结构，设备的管理 方式，系统控制流程的研究，详细控制目标的制定，故障处理的研究，d c d c 控制的研究等，从而为硬件和软件设计提供指导和目标。 2 ) 通信系统设计 由于系统结构采用分布式系统设计方案，各设备之间需要通过通信系统进行 联系。考虑到系统可能受到的干扰和必要的电气隔离要求，以及对可靠性的要求， 有必要仔细设计通信系统。本文对通信系统的物理连接及高层协议分别进行了详 细的比较研究，选择了满足要求的通信系统设计方案，设计了基于光纤的c a n 总线系统，并根据控制系统功能需求初步设计了基于c a n o p e n 的通信协议。 2 第1 章绪论 3 ) 控制系统软硬件设计 控制系统的硬件设计用于控制器及检测电路的搭建，包括原理图及p c b 设 计。总控器的设计基于前面对控制系统的控制功能的研究，在满足控制功能的前 提下实现设计简单可靠并有一定扩展性。 控制系统的主要功能需要通过软件来实现，对软件架构的合理性有很高的要 求。软件设计采用了c c s 提供的d s p b i o s 实时操作系统，把不同功能设计成 不同的线程，通过合理分解任务与分配线程提高软件的实时性和可靠性。 4 ) 相关试验 根据需要，进行了控制系统相关试验，包括通信系统、调理电路及d c d c 控制等试验，来验证本文控制系统软硬件设计。 3 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收控制系统的设计与研究 第2 章能量回收系统控制方案研究 2 - 1 引言 在设计控制系统的硬件和软件之前，首先需要对系统的设计需求进行分析， 在明确了相关要求之后，再开始进行详细的软硬件设计。 本章主要内容是对系统控制方案进行相关研究，首先介绍了超级电容能量回 收系统的结构，明确控制系统设计内容，分析了能量回收系统的设计目标及工作 流程，并根据需求进行解决方案、有关的理论和算法等研究。 2 2 超级电容能量回收系统分析 2 2 1 能量回收系统的结构 超级电容能量回收系统目前已有一些研究，适用于地铁车辆制动能量回收的 电容吸收主电路【9 】原理图如图2 1 所示。 由图可见，主电路由电动隔离开关、直流快速断路器、电压传感器、i g b t 变流器和吸收电容等构成，根据电网电压的变化通过i g b t 变流器给电容器充电 或者向电网放电。如将图2 1 中吸收电容改为超级电容器组即为基于超级电容的 能量回收系统。 m 一扰 j 定一v ? = 妄 昧 审场 r 2 图2 1 电容吸收主电路原理图 从系统结构上看，能量回收系统结构有两种实现方梨1 0 】：单处理器系统和分 布式系统。下面对两种结构方案进行比较分析。 能量回收系统采用分布式系统组成结构，优点如下： 1 ) 底层硬件控制器可以安装在受控对象附近，利于系统实现和维护。 2 ) 系统增加或减少节点，或对节点增减功能的时候，不必对整个系统做很 大的改动，只需处理相应节点，可以减少改动成本。 3 ) 设备控制器功能相对简单，可以采用低档处理器减少造价。 4 第2 章能量回收系统控制方案研究 4 ) 每个处理器任务比较单一，程序相对简单，利于调试。 作为对比，采用单处理器组成方案时，具有以下特点： 1 ) 单处理器同步操作易于实现。分布式系统同步必须通过通信或专用控制 处理器实现。 2 ) 所有数据存于同一存储器，可以简化通信协议。 3 ) 单机系统程序调试可以同时检查所有任务，但是增加了代码复杂度，使 调试变得复杂。 对于能量回收系统，相对于大功率d c d c 、开关电器、超级电容器组等器 件的成本，控制及通信部分的硬件成本可以不予考虑，但对其合理性、可靠性、 可维护性等有较高要求。综合比较以上两种方案，能量回收系统适合采用分布式 结构，这样具有以下优点： 1 ) 各部分可以实现模块化，利于分工合作。 2 ) 各模块任务单一，利于设计和调试。 3 ) 模块增减和替换简单，利于升级维护。 在采用分布式结构的情况下，需要注意的问题包括：需要制定合理的通信协 议，对通信可靠性要求高；需要合理分配各模块任务，制定合理流程保障任务同 步。 根据以上分析，制定分布式能量回收系统结构如图2 2 所示。 2 图2 2 能量回收系统结构框图 能量回收系统由高压检测部分、开关断路器控制、d c d c 变换器及其控制 驱动电路、超级电容器组及其检测管理系统等组成。 高压检测部分直接连接地铁接触网，采集电压及电流等信息，并通过一定方 式传送至总控器，供控制策略使用。开关断路器部分属于能量回收系统主电路， 5 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收控制系统的设计与研究 用于系统的投入及断开等控制。d c d c 部分是能量变换的主要设备，采用双向 b u c k b o o s t 拓扑，通过控制d c d c 中不同的开关器件可以控制能量的传递方向， 达到回收能量和释放能量的目的。超级电容器组是储能器件，用于能量存储。由 于超级电容器组需要检测电压、均压、保护等功能，所以具有专门的超级电容管 理系统，总控器只与管理系统通信，而不直接连接超级电容器组。 根据需要，本文设计的控制系统范围除了控制系统核心的总控器，还包括了 d c d c 控制器，如图2 2 中点划线范围内所示。与控制系统直接相关联的对象包 括高压检测系统、开关断路器、d c d c 控制器与超级电容管理系统。 2 2 2 能量回收系统控制流程 简单来说，超级电容能量回收系统的主要功能是根据电网电压的变化通过一 定的控制策略来判断当前工作模式，进行能量的回收或者释放，从而达到回收能 量和稳定电网电压的功能。根据能量回收系统的功能，得出控制系统需要实现的 控制功能如下： 1 ) 电压、电流、温度等检测信号采集与预处理。将通过检测电路得到的电 压、电流等信号送入控制系统，需要对输入信号进行滤波、防脉冲干扰等预处理， 以得到用于控制策略的物理量。 2 ) 能量回收与释放策略的实现。对处理后的输入信号进行分析判断，决定 能量回收系统工作模式。主要工作模式可以分为：吸收能量、释放能量、待机、 故障状态、停机等。 3 ) 产生输出控制信号。由控制策略分析判断得出当前工作模式后，需要输 出相应的控制信号。主要输出信号应该包括：d c d c 变换器启停信号、电压或 电流闭环控制给定值，接触器及断路器等开关电器状态信号与动作信号，指示灯 信号等。能量回收系统可以采用总线形式进行通信，以方便系统各部分通信连接 与信号传递。 为了满足能量回收系统大功率电流处理能力的需要，系统将会采用将多台 d c d c 并联工作的模式。从将来的发展方向看，超级电容器组也有可能采用并 联工作模式。为了满足多台d c d c 及超级电容器组设备协同工作的要求，提高 灵活性和智能性，需要研究在具有多台设备( d c d c 及超级电容器组) 情况下 能量回收系统的控制方法。 在上述多设备组成系统情况下，系统需要一个对多设备的识别和分析的过程 才能正常工作。根据此要求，制定能量回收系统工作流程如下： 1 ) 系统上电，各设备进入自检。自检完成后各设备需要向总控器发送设备 及状态信息，以供总控器识别系统所具有的设备类型和数量。 2 ) 总控器对收到的信息进行分析。如果各设备正常且可以构成一个可以工 6 第2 章能量回收系统控制方案研究 作的完整的系统，则发送命令使各设备进入工作状态，执行各自设计的功能；如 果出现错误则发送相应的停止命令，避免设备误动作，同时发出报警信号等待检 修。 3 ) 正常工作状态。 此工作流程用流程图描述如下： 图2 3 能量回收系统工作流程图 在上述工作流程中，第二步是关键，需要由总控器分析当前的设备组成情况， 根据各个设备的参数信息、状态信息进行判断，决定下一步的动作。 此外还可以看出，多设备组成系统情况下，对多设备的管理功能的实现需要 通信系统的配合，以完成信息读取和设置、状态通信等功能。后面在进行通信系 统设计时需要充分考虑这些要求，进行相应的研究。 2 - 2 3 能量回收系统控制策略 控制策略需要对由能量回收系统与轨道接触网构成的整个系统进行详细研 究，并结合地铁列车运行情况进行分析而得出。控制策略的制定不属于本文的研 7 棼 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收控制系统的设计与研究 究内容，但本文所进行控制系统设计负责其实现，所采用控制策略由实验室吴璐 璐博士设计。 控制策略的基本思想是根据电网电压的变化判断当前地铁车辆运行情况，决 定能量回收控制系统工作模式为待机、能量存储还是能量释放状态。 待机状态是指系统正常工作，但是d c d c 不工作，系统不停检测电压数据 并进行分析，当电压满足一定要求时进入相应的工作模式。 能量存储状态则是d c d c 工作于b u c k 模式，从接触网吸收电流给超级电 容器组充电的工作模式，在此模式下除了根据接触网电压判断工作模式，还需对 工作电流进行控制。 能量释放状态则是d c d c 工作于b o o s t 模式从超级电容器组吸收电流向接 触网释放的工作模式。 上述三种工作模式都属于正常工作模式，在这三种工作模式中都会不断地进 行状态判断，当出现错误时会进入紧急停机状态，此时d c d c 会停止工作，系 统停机报警。 控制策略流程图如下： 图2 4 ( a ) 控制策略流程图 8 第2 章能量回收系统控制方案研究 图2 4 ( b ) 控制策略流程图 控制策略的实现主要通过软件编程完成，软件设计部分在第五章介绍。 2 3 控制系统抗干扰研究 、譬 轨道交通超级电容能量回收系统用于轨道交通车辆的能量回收，与地铁接触 网直接相连，处于复杂的电磁环境中。实际工作环境下，地铁接触网的电流和电 压波动、地铁车辆运行时的高次谐波、大功率d c d c 变换器工作时i g b t 的通 断等都会产生较大的干扰。从整个系统的可靠性出发，对控制系统的抗干扰性能 提出了较高要求。 2 3 1 通信系统抗干扰方法 对于能量回收系统而言，由于信号线连线较长，极易受到电磁干扰。为提高 通信线路的抗干扰性，并考虑其对电气隔离的需要，本文设计了基于光纤的通信 系统，利用光纤所具有的抗电磁干扰性来提高信息传输可靠性。 对于光纤通信系统，能量回收系统的各设备之间通过光纤和光纤集线器相互 连接，详细设计见下一章通信系统的设计研究。 9 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收控制系统的设计与研究 2 3 2 控制电路抗e m i 方法 对于控制电路板的设计来说，也要考虑一定的抗电磁干扰( e m i ) 性能。在 电路p c b 设计中，注意以下事项： 1 ) 缩短输入输出连线，使用屏蔽双绞线，以减小“天线”效应； 2 ) 缩短控制电源输出端与负载间的距离，并增大连接导线的截面积，以减 小连接电阻对负载调整率的影响； 3 ) 在控制电源进线处接电源滤波器，可有效减小由电源进线引入的传导干 扰； 4 ) 由于电源及其输出配电线都会存在一定的输出电阻和输出电感，所以在 高速的模拟电路和数字电路的负载上并联去耦电容，同时在负载上并联旁路电 容，以获得对中频和高频干扰信号的旁路作用，从而防止多个负载之间的相互干 扰。 2 3 3 软件抗干扰方法 软件抗干扰主要有两个方面，一个是程序本身的设计，另一个是对数据的处 理。 对于程序本身来说，主要有以下几种方法： 1 ) 采用软件看门狗，在程序跑飞的情况下自动复位。 2 ) 采用软件陷阱，通过在非程序代码存储空间或部分重要地方加入软件陷 阱，使程序跳转到错误处理或者起始处，提高可靠性。 在数据处理上，可以采用数字滤波等处理以消除采样电路检测到的干扰，从 而取得较好的波形。下面根据地铁接触网母线电压波形研究数字处理方法。 图2 5 根据地铁接触网母线电压采样原始数据绘制，采样频率为4 k h z 。 图2 5 接触网母线电压波形 1 0 第2 章能量回收系统控制方案研究 通过对接触网现有检测系统的检测数据分析，发现检测数据有较多的脉冲干 扰，其特点为干扰较强，与实际值的差有正有负，且出现时间很短，多为孤立的 一个个数据点。考虑以上特点，对系统检测数据的处理可在软件上采用防脉冲干 扰平均值法，下图为每8 个点采样值去掉最大值和最小值后求和取平均值后所得 数据。 图2 6 母线电压经防脉冲干扰平均值法处理后波形 从图中可以看出，采用防脉冲干扰平均值法后，有效的去除了各脉冲干扰， 同时波形也得到一定改善，但是仍然还有一些细微的毛刺，这些可以通过采用数 字滤波算法进行进一步处理。 软件设计中还可利用数字滤波算法提高抗干扰性能。由于数字信号处理方法 的灵活和强大，可以采用合适的数字滤波算法以提高系统抗干扰性。由于控制策 略需要电压准确值进行分析，数字滤波算法应避免对信号幅值产生较大失真。数 字滤波算法的选择和设计可以借助m a t l a b 的s p t o o l ( s i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x ， 信号处理工具箱) 进行分析【l l 】f 1 2 】。 曩蚕蘑弱鏊圆露繇雾瑟弱夏氅弱；翳翳缀嬲搦憋嬲搦搦搦翳嘲幽。溜i 笺渤 f d ee d i tw i n d o wh e l p s i g n a l s b i t e r s s p e c t r a l m t i b l i e c t 一 c h i r pv e c t o r l 丝 i l s 【 d 严i g n p z i pi m p o r t e d 擘 i 批引a a l o 芦h i r p s eu t 0 1 孝 r a i n 【v e c t o r l 7 l e l 只b p 【d e s i g l ? t r a i n s e 【a u t o l 赫德a 孵盼旗鳓黝翻暖i 叠黝s p e c t l 【a u t o 】 参 缴勃黝蚴麟燃 爹 ： 参 缓 缓 v i e w l v i e w j v i e w 】 i n e w l c r e a t e l 【 e d i t l u p d a t e i 【a p p l yl 图2 7s p l 如l 界面 1 1 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收控制系统的设计与研究 上图为信号处理工具箱，可以查看信号波形和频谱分析，进行滤波器设计并 查看经过所设计滤波器处理后的信号波形。图2 8 为防脉冲干扰平均值法处理后 的信号波形在s p t o o l 中查看的情况，可以看出其波形依然有一定的起伏，不过 考虑到实际母线电压波形由三相交流电压经1 2 脉波整流而来，本身就存在一定 波动，此信号已能较好的反映实际电压波形。 图2 8s p t o o l 查看电压信号波形 图2 9f d a t o o l ( 滤波器设计分析工具箱) 1 2 第2 章能量回收系统控制方案研究 图2 9 为滤波器设计分析工具箱界面，可以选择滤波器类型和阶次，通过设 置采样频率和截止频率，即可由f d a t o o l 自动设计滤波器参数。现设计一个l 阶的i i r 巴特沃斯滤波器，采样频率f s = 5 0 0 h z ，截止频率f c = 1 0 0 h z 。应用此滤 波器对上面处理后的电压信号进行滤波，即可查看滤波后效果如下图： 图2 1 0 母线电压滤波后电压信号波形 对比滤波前后波形，滤波后变化幅度有相应减小，从滤波前的3 0 v 左右波 动减小到1 0 v 左右，可以提供给控制系统使用，而不会对系统控制策略产生不 良影响。若采用高阶滤波器，可能会造成滤波后信号幅值失真和相位延时等，最 终数字滤波器参数的设计还需根据实际情况分析和试验决定。 2 4 系统故障分析及处理研究 将超级电容能量回收系统用于轨道交通能量的回收，为了提高安全性，有必 要对能量回收系统进行故障分析及处理的研究，使得系统在出现故障时能判断故 障原因，并采取正确的措施，以确保超级电容能量回收系统与轨道交通系统的安 全运作。 本文通过对系统总控器、接触网检测、超级电容器组、d c d c 及用到的开 关电器各部分进行研究，分析了各部分可能会出现的问题及应对方案。 按问题的严重性，将这些问题分为了故障及警告两种。故障是指出现了会导 致事故的情况，系统必须采取相应措施并停止运行，否则会导致事故。而后者仅 是警告，系统仍然可以运行，但需要采取一定的措施以避免情况恶化甚至出现故 障。 1 3 曼：羲 同济大学硕士学位论文超级电容能量回收控制系统的设计与研究 系统可能会出现的故障警告及相应的处理方式整理如表2 1 所示： 表2 1 系统故障警告及处理方式 相关设备 内容 类型 处理方式 说明 无故障无无 全部 需要停机 无 停机 此三种情况用于系统的控制 需妥堕届无重启 程序错误 错误重启系统数据错误、程序跑飞等 a d 输入错误错误停机报警a d 输入超出范围，检测系统故障 总控器 通信数据错误错误重启 由于通信采用校验措施，数据出错 可认为程序出错 接触网电压过高错误停机报警接触网电压过高，接触网出现故障 接触网接触网电压过低错误停机报警接触网电压过低，可能短路 接触网过流错误停机报警 短路故障( 可能不检测电流信号) 电压过高警告减小电流电压过高，减小输入电流 过压 错误放电超级电容过压，需要放电 超级电容 温度过高警告减小电流温度过高，减小电流 过温警告 待机超级电容过温 i g b t 短路错误停机报警通过检测信号判断 i g b t 过流错误 停机报警通过检测信号判断 d c d c i g b t 故障错误停机报警来自驱动芯片保护信号 i g b t 温度过高警告减小电流减小电流参考值以减小电流 i g b t 过温 错误待机需要等待一段时间降温 开关无法闭合错误 待机报警 开关无法闭合，系统不能工作 开关电器 在系统出现故障时不能断开，可能 开关无法断开错误停机报警 造成严重后果 说明：在此表中仅仅是部分可能的情况分析，在系统设计和各设备没有最终 确定的情况下，应该考虑尽可能多的故障情况，而最后系统实现中则根据需要进 行增添及取舍，且处理措施也应根据实际情况进行修改。 2 5d c d c 的控制研究 根据前面的分析，控制系统需要实现d c d c 的控制，在此对d c d c 的控制 方法进行研究。 能量回收系统d c d c 采用拓扑为b u c k b o o s t 双向d c d c 变换器，主电路 结构如图2 1 1 所示。 图2 1 1b u c k b o o s tb d c 的拓扑结构 1 4 第2 章能量回收系统控制方案研究 根据电流的不同流向( 对应能量回收和能量释放两种工作模式) ，此电路可 以分成b u c k 和b o o s t 两个简单的基本d c d c 变换器电路进行分析。对于b u c k 和b o o s t 这两种基本电路拓扑的建模与控制设计目前都已有大量的研究【1 3 】【1 4 1 ，但 在其电路模型中多采用纯电阻负载。对于超级电容能量回收系统，能量回收即对 超级电容器组充电时工作在b u c k 电路模式下，超级电容负载侧可以考虑省略通 常使用的滤波电容，并且使用电阻与电容串联模型代替超级电容负载更加符合实 际情况。充电时b u c k 电路结构见下图： v g r c 图2 1 2 超级电容b u c k 充电电路 2 5 1 小信号传递函数推导 为了从理论上研究此时d c d c 的控制方法，首先考虑对此电路采用状态空 间平均法建立其小信号传递函数模型。状态空间平均法于1 9 7 6 年由美国加里福 尼亚