超级电容储能系统硬件设计

邢华刚++李凯++钱荣++兴志

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.083

摘 要：城市轨道交通需要频繁启动和制动，由于传统牵引供电变电站不能反向吸收能量，车辆再生制动时产生的多余能量都被浪费。针对超级电容在轨道交通应用方面的特点，给出了三电平双向直流变换器的工作原理，并完成了参数设计，最后设计了基于DSP控制器的硬件电路。本系统具有控制精度高、响应快等优点。

关键词：超级电容 城市轨道交通 功率

中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（c）-0083-03

轨道交通车辆运行的特点是站间距离短、运行速度高、启动与制动频繁。如何有效回收轨道车辆的制动能量，提高整个系统的能量利用效率，增强电网电压的稳定性，对轨道交通系统安全、可靠、高效运行有着重要的意义。超级电容作为轨道交通的储能单元，可以满足启动频繁、加速、爬坡的高功率要求，同时在制动时可以进行大功率的能量回收。但基于超级电容的城市轨道交通储能系统，目前还没有成熟产品，而国内研究采用超级电容器吸收再生制动能量也才刚起步，所以研究超级电容储能系统具有很大的发展空间。

1 功率拓扑结构设计

三电平DC-DC分为共地和不共地两种拓扑，图1为输入输出共地式拓扑，其中Cfiy为飞跨电容，Q1、Q2、Q3、Q4是四只开关管，L是滤波电感，VH和VL分别是高端电压和低端电压，CH和CL分别是高压端电容和低压端电容。稳态时Cfly是飞跨电容，电压为输入电压的一半，即Vcfly=VH/2。

在储能系统中对超级电容进行充电，对于双向DC-DC变换器来说为Buck模式；超级电容中的电放到系统中，对双向DC-DC变换器来说为Boost模式。在Buck模式下占空比D=UO/Ui，在Boost模式下占空比D=（UO-Ui）/Ui；控制Q1～Q4的占空比D分为D>0.5和D<0.1两种模式，在Buck模式下把Q1和Q2定为主控开关管，Q3和Q4为受控管，在Boost模式下把Q3和Q4定为主控开关管，Q1和Q2为受控管。如图2所示，為D>0.5时刻驱动波形。

2 功率拓扑参数设计

2.1 电感参数设计

电感L可按照Buck模式来确定，输入为额定电压1500V，输出电压为400～800V，占空比的变化范围D=0.26～0.53。由图3可知，当D=0.26时电感电流脉动最大，因此应在此条件下计算所需电感量。

可以得到Buck三电平变换器电感的计算公式：

（1）

式中：ΔIf为电感电流脉动值，取A，根据式（1）求得电感为：

（2）

2.2 低压端电容计算

CL可以根据Buck模式输出滤波电容的电压脉动来计算。电容电压脉动由两部分构成：纹波电流在电容ESRL上引起的脉动和纹波电流对电容充放电引起的脉动。电压脉动主要由ESRL决定，因此可以通过下式计算ESRL：

（3）

Buck模式下输出滤波电容的纹波电流即为电感脉动电流。式中为电容电压脉动值，取，则可得：

（4）

根据电解电容的容量与ESR的关系式，可以计算CL：

（5）

实际取μF。最后选用额定值为1200V/100?F 的电容。

3 双向DC控制系统硬件设计

3.1 总体结构设计

控制电路主要由供电电路和功能电路两部分组成，如图4所示。

3.2 控制芯片

主控芯片采用TI公司的TMS320F28335对整个系统进行控制，主频150MHz，12路PWM。由于变换器工作中需要Q1和Q4互补，Q2和Q3互补，为保证可靠，增加了CPLD进行逻辑控制。

选择Altera公司的5M160Z（修改为10M02SCE144I7G EQFP144）EQFP64封装，160逻辑单元。

3.2.1 IGBT与驱动设计

IGBT选择4个IXGH6N170A（1700V/12A）作为三电平双向DC-DC变换器的被控单元，实现电流的双向流动。

IGBT驱动采用HCPL3120光电耦合器进行4个IGBT的驱动，实现控制功能。

3.2.2 电流电压采集单元设计

电压采集采用差分采集方式，利用HCNR201高精度线性光耦进行内外电隔离，电流采集采用ACS716芯片，温度采集采用NTC热敏电阻或者DS18B20芯片进行实现。如图5所示。

4 结语

城市轨道交通为市民的出行提供了便利的条件，有效地缓解了交通拥挤的压力，发展迅速。如何有效回收轨道车辆的制动能量，提高整个系统的能量利用效率，增强电网电压的稳定性，对于轨道交通系统安全、可靠、高效运行有着重要的意义。本文以轨道交通超级电容储能系统为研究对象，对应用于高压牵引供电系统的超级电容储能系统的构成、高压大容量双向DC-DC功率变换技术等问题进行分了析和研究。

参考文献

[1] 张国驹，唐西胜，周龙，等.基于互补PWM控制的Buck/Boost双向变换器在超级电容器储能中的应用[J].中国电机工程学报，2011，31（5）：15-21.

[2] Wang Sibo， Qi Zhiping，Wei Tongzhen. Fuzzy logic energy management strategy for supercapacitor-based energy saving system for variable-speed motor drives[A]. IEEE International Conference on Electrical Machines and Systems[C].2008：1473-1478.endprint