再生回馈装置

2024-08-05

再生回馈装置（共5篇）

再生回馈装置篇1

地铁车站的站间距短车辆起动、制动频繁, 约40%的能量被浪费, 可回收的制动能量乐观。而制动产生的电能大部分都被设置的电阻消耗掉了, 现有大部分地铁是采用车载式电阻消耗装置, 不但增加车辆自重、占用车辆空间, 且散发的热量会引起车辆及隧道温度的升高, 并且还需要环控设备消耗额外的电能来降温。近期的地铁设计中, 有将电阻消耗装置配置到车站牵引变电所中, 将移动式电阻装置改为地面固定式。但此类设计均为电阻吸收模式, 仍然会造成了大量电能的浪费, 如何将地铁再生制动能量重新利用已成为地铁牵引供电领域的一个研究方向。目前, 国际上先进的再生制动能量吸收再利用的技术主要有:电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型。在国内, 正在开展逆变回馈型的技术研究, 逆变回馈给车站的低压负载技术已投入实用, 并在不断完善成熟之中。再生制动能量的利用技术符合节能环保要求, 顺应地铁牵引供电发展的需要。

1 郑州地铁现有再生回馈装置情况

郑州市轨道交通1号线一期工程共设置10个牵引降压混合变电所 (正线设置8个, 郑东车辆段、凯旋路停车场各设置1个) 向接触网供电, 供地铁列车牵引使用。地铁列车制动形式分为两种:闸瓦制动和电制动, 并且优先使用电制动, 在地铁列车电制动时产生的能量, 流向直流侧, 使直流母线电压升高, 直流母线正常工作电压1000V~1800V, 当直流母线电压抬升过高后影响列车的安全运营, 为此, 在郑州市轨道交通1号线一期工程全线10个牵引降压混合变电所 (包括郑东车辆段、凯旋路停车场牵引降压混合变电所) 安装制动能耗装置, 通过电阻柜将地铁列车电制动时产生的抬升电压消耗掉。而电阻柜属于纯消耗, 如能将这部分电能再利用, 既经济又倡导节能减排, 为此, 郑州地铁在西三环站牵混所和碧沙岗站牵混所挂网试验两套1.2MW再生制动回馈变流器。

2 再生制动回馈变流器的工作原理

地铁刹车制动阶段地铁制动时产生的能量, 流向直流侧, 使直流母线电压升高;此刻, 当再生制动回馈变流器检测到直流母线电压高于设定值后, 快速将直流母线电压稳定至设定值, 使能量迅速回馈至电网, 以确保直流母线电压稳定, 不超过稳压设定值。

地铁牵引启动阶段通过检测能量流动的方向, 当能量由再生制动回馈变流器流向直流母线时, 再生制动回馈变流器快速退出回馈运行并转到系统待机状态, 直流电压迅速降低, 地铁运行时的能量由变电所大功率整流器提供。

3 在郑州地铁1号线开通试运营前, 分别对西三环站、碧沙岗站的再生回馈装置进行各项测试

1) DC1700稳压试验:直流稳压动态无超调, 稳态电压恒定;交流电流动态无超调, 稳态电流平滑。

2) 回馈功能试验:母线电压高于设定值后, 可快速稳定直流电压;直流电压控制稳定;电流动态相应快。

3) 无功补偿功能试验:无功功率可控;并网电流功率因数可调;电流动态响应快。

4) 效率与电流THD测试:系统功率在335k W时:效率:95.2%, 电流THD:2.0%, 功率因数:0.992。

4 郑州地铁1号线开通后节能数据分析

4.1 碧沙岗、西三环再生回馈装置回馈电量统计

自郑州地铁2013年12月28日开通试运营至今, 西三环站牵混所和碧沙岗站牵混所挂网试验的两套1.2MW再生制动回馈变流器回馈电量如下:

4.2 1号线郑州地铁全线牵引用电量如下

4.3 回馈电量分析, 碧沙岗站和西三环站牵引用电量统计、分析如下

再生回馈电量占牵引用电量百分比:

总回馈电量占总牵引用电量百分比:

由上述数据分析西三环站牵混所和碧沙岗站牵混所回馈总电量占牵引总有功电量的百分比分别为18%和17%, 日均回馈电量占牵引日均用电量百分比分别为18%和17%;总回馈电量占总牵引用电量百分比为4.3%。回馈效果比较明显。

5 西三环、碧沙岗站再生回馈装置投入后, 制动电阻柜运行情况

在西三环站牵混所和碧沙岗站牵混所挂网试验两套1.2MW再生制动回馈变流器后, 西三环站和碧沙岗站的制动能耗装置基本不启动 (通过制动能耗装置事件记录查看) , 即使在电网电压上升过快, 许继再生制动回馈变流器无法快速吸收导致电网电压达到制动能耗装置吸收电压时, 制动能耗装置也是瞬间启动吸收, 一旦电压低于其吸收电压就立即停止, 时间延续很短。

6 无功补偿功能

针对前期功率因数普遍偏高的情况, 目前已投入西三环、碧沙岗站再生回馈无功补偿功能, 每台装置无功补偿功率设定为500kvar。无功补偿功能投入后, 对新华主所功率因数改善提供很大的帮助。

7 总的结果

许继再生制动回馈变流器自挂网实验以来, 运行稳定, 电量回馈效果显著, 无功补偿效果明显, 各实验数据满足运行要求。

8 对后续线路设置再生回馈装置的建议

通过数据分析结果看, 加装许继再生制动回馈变流器后效果还是比较明显, 在后续线路 (包括1号线) 可以考虑设置再生回馈装置, 但设计及采购是要考虑以下两个问题:

1) 合理设置容量, 避免电能向供电局倒供的情况。如装置容量配置过大, 当再生制动回馈变流器回馈电量不能完全被其他用电设备吸收的话, 可能会在某一瞬间出现电能反供到110KV侧 (供电局) , 供电局是绝不允许的。如全线一次性全部安装再生回馈装置, 考虑产品的可靠性、稳定性, 可能会存在一定风险。再生制动回馈变流器存在一定的谐波, 会对35KV供电系统产生影响。

2) 将再生回馈装置与再生制动装置电阻配合使用。再生制动回馈变流器与再生制动装置电阻配合使用, 电阻容量可适当减小, 如此既可以节省电阻柜的占地空间, 又可以降低运营风险。测试多套装置全线运行时的谐波, 通过优化装置功能降低谐波, 使谐波含量满足要求。

参考文献

[1]夏景辉, 郑宁, 左广杰.地铁车辆逆变型再生制动能量回馈方案与装置的研究[J].城市轨道交通研究, 2013.

[2]冯建兵.再生制动能量方式的探讨[J].电气化铁道, 2005.

[3]陈勇, 刘承志, 郑宁, 庄岩, 曹景雷.基于逆变回馈的地铁再生制动能量吸收的研究[J].电气化铁道, 2011.

再生回馈装置篇2

近年来,随着我国经济水平的迅猛发展,各主要城市地铁事业也得到迅速发展,在未来几年我国将会有更多地铁线路和更多地铁列车投入运营。城市轨道车辆有频繁启停的特点,在能量回馈制动时,在附近没有其他车辆吸收电能的情况下,直流母线电压将被迅速抬高,只能通过制动电阻消耗将母线电压维持在安全范围。这样既浪费电力资源又使工作环境温度升高,随着地铁运营车辆的增加,电力资源的浪费也越来越突出。

目前,吸收装置所采用的吸收方案主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等4种。其中电阻耗能型是将制动能量消耗在吸收电阻上,这是目前国内外应用比较普遍的方案,该方案控制简单、工作可靠、应用成熟,其主要缺点是该方案只能将电能转换为热能排掉,造成能源浪费,而且电阻散热会导致环境温度升高,因此需要相应的通风装置,增加了相应的电能消耗;电容储能型是将制动能量吸收到大容量电容器组中,当供电区间有列车需要取流时将所储存的电能释放出去,其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组,且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短;飞轮储能型的基本原理与电容储能型一样,只是储能元件为飞轮电机,但由于飞轮长时间处于高速旋转状态,且飞轮质量也很大,故摩擦耗能问题严重,飞轮工作寿命短;逆变回馈型是将车辆制动时的直流电逆变成工频交流电与车站内380 V电网并网,将电能消耗在站内电梯、照明、通风等用电设施上,该吸收方案有利于能源的综合利用,实现了节能,但是技术复杂,设备投资很大。综上所述,除电阻耗能型外其余3种方案都充分利用了再生能量,但也均有各自的缺陷,因此目前国内尚无相应的成熟产品。但从能源的角度看,这是个必然的发展趋势,因此有必要对其进行深入研究。

本文提出采用容量较小的制动电阻加四象限能量回馈装置来实现有效的能量回馈,在一般制动工况下,当母线电压高于预设值时通过四象限变流装置将能量回馈到电网;在特殊工况下(四象限变流器故障或多台机车同时制动使直流母线电压高于警戒值时),通过制动电阻消耗能量使母线电压维持在安全范围内。

1装置的基本工作原理

该装置的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联,其交流进线接到交流电网上,当再生制动使直流电压超过规定值时,逆变器启动并从直流母线吸收电流,将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。

一旦逆变吸收消耗不了该能量,将引起电网电压进一步上升,当电网电压升到第二级判断电压时,电阻斩波器立即投入工作,电阻吸收装置将再生制动能量消耗,稳定电网不再上升,确保列车充分有效利用电制动。装置的基本工作原理如图1所示。

2主要技术参数

直流输入

最大输入功率1 200 k W

输入电压DC1 500 V~1 860 V

允许电压波动范围DC1 500 V~1 900 V

直流侧电流680 A

峰值电流750 A

短时电流750 A 20 s

交流输出

额定输出功率1 000 k W

输出电压:AC380 V三相四线制

输出电流AC1520 A

额定电网频率范围50 Hz±5%

总电流谐波畸变率≤5%(额定功率)

功率因数>98%(额定功率)

系统

转换效率>90%

防护等级IP23

冷却方式强迫风冷

工作温度-25℃~+55℃

相对湿度0%~95%,无冷凝

控制方式SVPWM

工作制间歇工作制

3装置的组成

逆变装置主要由直流进线柜、交流出线柜和逆变控制柜构成,根据检测到电网电压和制动功率的大小,调节IGBT的导通角,以控制回馈电流,实现制动功率平滑回馈。

1)直流进线柜主要由直流快速断路器、直流隔离开关、平衡电抗器和进线熔断器等组成,实现直流进线滤波、故障隔离和过电流保护等功能。

2)逆变控制柜主要由IGBT模块、风扇散热装置、电压电流传感器、逆变控制板、PLC、状态显示面板和半导体保护快速熔断器等组成,实现电网电压检测、回馈装置自动转换以及各种参数显示等功能。

3)交流出线柜主要由自耦变压器、交流断路器、过电压吸收设备等构成,实现交流电流输出、过电压吸收和滤波等功能。

4装置的控制策略

装置的主要功能是维持网压恒定,该装置针对供电电压为DC 1 500 V的地铁线路,将网压波动范围取为900~1 900 V,根据以往经验设置逆变器吸收的控制电压为1 680 V,电阻吸收的控制电压为1 640 V~1 800 V(可调),设计时可根据地铁线路的实际情况进行调整。

1)列车运行状态的判断。列车的运行状态可以通过比较线网电压U网和空载电压U空来判断。

判断U网≥U空有3种情况,即停站、故障、再生制动,为躲开前2种情况,设置判断基准电压为UP=U空+ΔU,但由于网压存在波动,实际取UP=U空+ΔU+UδV,这里波动电压UδV可由现场试验获取一个经验值。

2)逆变吸收控制。当电网电压升到第一级判断电压(1 680 V)时,逆变器开始工作,采用SVPWM控制方法将直流电逆变转换成AC380 V电压,自动跟踪市电AC380 V并网向用电负载供电,将再生能量消耗在用电设备上。

3)电阻吸收控制。一旦逆变吸收消耗不了该能量,将引起电网电压进一步上升,当直流侧电压检测值高于1 700 V时,开通斩波器,然后系统再根据网压大小进行PID实时运算,自动调节输出PWM的占空比,即调节斩波器的导通角,改变各相电阻等效阻值,直至网压低于设定的吸收电压值后,关闭斩波器,使吸收装置处于待命状态,等待下次车辆的再生吸收;当直流侧电压检测值低于1 620 V时,封锁PWM输出,关闭斩波器。

5系统仿真及结果分析

再生制动仿真系统由3个部分组成,分别是整流模块,车辆模块和逆变回馈模块,通过含有电阻和电感的导线来模拟轨道。

整流模块功能是对交流电机进行24脉波整流,输出直流1 500 V,车辆模块模拟制动列车运行,额定电压交流1 100 V,额定电流75 A,额定功率105 k W,交流电机定子电阻0.087Ω,定子电感0.8 mH;转子电阻0.228Ω;转子电感0.8 mH;磁感0.226 mH。

逆变回馈吸收模块在母线电压超过1 620 V时开始工作,工作频率为8 000 Hz。

轨道电阻0.038 65Ω/km,电感1.481 5 mH/km。

将上述参数输入到如图2所示的Matlab/Simulink模型之中,经过计算可得如图3所示的仿真结果图。

由图3可以看出,该系统模型较好地仿真了制动列车再生制动过程及吸收过程,其中第一条曲线是定子电流变化曲线,第二条是转速变化曲线,第三条负载力矩曲线,第四条直流母线电压的仿真波形,第五条是吸收功率变化情况。

制动列车在t=1.2 s时开始刹车,此时电机的转速减少,负载力矩减小,此时开始再生制动过程,直流母线明显升高,超过了阀值电压,控制IGBT吸收电路开始工作,在1.56 s~1.68 s这段时间内,从图中可以看出直流母线电压稳定在1 620 V,在制动结束后,电压恢复到正常范围之内。可吸收的最大功率大约为32 k W。

6结语

本文提出的电阻-逆变混合吸收装置,控制简单,安全可靠;系统首先满足逆变吸收,一旦逆变吸收不能完全吸收车辆再生能量时,电阻吸收投入,保证了车辆可靠电制动;一旦逆变吸收单元发生故障,系统自动将其切除,由电阻吸收单元承担,保证了车辆再生制动和系统的安全可靠。仿真实验表明该系统方案的可行性。

参考文献

[1]王彦峥,苏鹏程.城市轨道交通再生能量回收技术方案的研究[J].电气化铁道,2004(2).

[2]孙延焕.再生制动吸收设备的应用介绍[J].电气化铁道,2005(3).

[3]叶芹禄,周伟志.浅析城市轨道交通列车再生制动能源的转化和利用方案[J].铁道勘测与设计,2009(3):60-63.

再生回馈装置篇3

在诸如提升类负载下行、大惯量负载刹车等应用中, 电机处于能量回升的状态, 传统变频器通常采用刹车电阻消耗掉这部分能量, 这往往较难达到满意的停车效果, 造成系统的安全性问题甚至故障, 并造成了能量的大量浪费。台达AFE2000系列产品采用高阶控制算法, 能真正实现能量双向流动, 与变频器搭配使用, 可实现变频器调速系统的四象限运行, 把电机再生的能量回馈到电网中, 取代传统的利用刹车电阻将回升电能转换成热能消耗掉的做法。实际应用测试结果显示, 使用AFE2000后, 再生能量回馈电网效率可高达95%, 节电效果非常明显。

AFE2000的另一性能是可以提高功率因子, 降低谐波干扰。标配电抗器额定满载运行时, 输入侧电流THD≤4%, 功率因子高达99%以上, 与传统变频器相比, 谐波降低了55%, 功率因素提高了近20%。即使在电网极不稳定的情况下, DCBUS直流侧仍能维持电压 (或电流) 恒定。AFE2000提供一对一和一对多等多元化的电力回生解决方案, 降低谐波, 提升功率因素, 可以减少设备耗电量, 电费变得更少。

AFE2000还提供多种通信网络及现场总线选配卡, PROFIBUS、CANOPEN、MODBUSTCP、DEVICENET、ETHENET/IP等, 内置RS-485国际标准通信协议, 拥有先进的网络功能, 可以方便地融入高速网络, 实现更大型的网络控制。除了电梯、起重设备之外, AFE2000还可用于大惯量负载场合, 如离心机、粉碎机, 要求快速制动场合, 如机床、制袋机、自动仓库、冲床, 长时间回馈能量场合, 如风力发电、钢铁印刷、造纸机械放卷设备, 以及需要提高电力品质的场合, 如半导体厂、面板厂。

再生回馈装置篇4

随着我国经济的快速发展、城镇化建设水平的提高以及科学技术的进步, 电梯作为一种垂直交通工具, 在高层和超高层建筑中的应用变得更加普及。然而, 电梯的耗电量也随着电梯装配数量的增多而增长。在建筑物中, 电梯的用电量仅次于空调, 高于照明、供水等的用电量, 和空调成为了住宅和一般公共建筑物内的能耗消耗最大的两种设备。因此, 在电梯行业推广应用节能设备, 既是电梯行业发展的必然趋势, 也符合我国建设资源节约型社会的基本国策。

1 推广电梯节能回馈装置应用的必要性

1.1 推广电梯节能是社会发展的要求同时也是法律法规的要求。

近年来, 随着国家“节能降耗”、“创建节约型社会”的要求, 人们对节能减排的重要性认识日益加强, 节能环保理念深入人心。电梯作为现代建筑中能耗最大设备之一, 其节能问题已经引起了全社会的广泛关注。2009年1月24日, 温家宝总理签署了《中华人民共和国国务院令》 (第549号) , 即:《国务院关于修改<特种设备安全监察条例>的决定》。在第549号令中, 对包括电梯在内的特种设备的节能问题提出了明确的要求。[1]在电梯中通过加装电梯能量回馈装置, 尤其是在老旧住宅和公共建筑中的在用电梯上推广应用, 是众多电梯节能技术中比较直接、安装方便且成本低的节能措施之一。

1.2 节能降耗, 能够产生巨大的经济效益和社会效益。

根据中国电梯网的最新统计数据显示, 截至2013年年底, 全国电梯的保有量已超过300万台, 确切数字是300.45万台, 成为世界电梯产销第一大国。电梯耗电量巨大, 是高层建筑最大能耗设备之一。中国电梯协会估计, 我国平均每部电梯每天耗电量约40k Wh, 据此计算, 2013年底全国300.45万台电梯每天用电约为1.2亿度, 每年消耗电量电约为438亿度。如果在全国的居民住宅楼以及酒店、宾馆、政府机关大楼、写字楼等公用建筑中推广应用电梯节能回馈装置, 按照目前条件能够达到的平均回馈节电率30%计算, 每年可为全国节约131.4亿度电量。按每千瓦时0.50元计, 全年可节约65.7亿元。因此, 推广电梯节能回馈装置应用具有良好的社会效益和经济效益。

2 电梯节能回馈装置市场现状及存在问题

目前, 我国节能型电梯只占电梯总保有量的5%, 且使用的电梯中只有3%左右的超高速电梯由于要达到快速制动的要求, 已采用能量回馈控制系统, 并且只有从国外进口的电梯才有能量回馈功能。但是, 电梯节能回馈装置在实际的市场推广过程中并不是一帆风顺, 主要存在以下问题:

2.1 电梯节能工作的起步较晚, 国家暂时还没有出台关于电梯节能的质量强制执行和验收标准。

虽然2009年新的《特种设备安全监察条例》已经出台, 有了强制性的电梯节能条例, 但现行的国家强制执行的电梯质量标准都是电梯安全标准, 并没有对电梯节能项目进行强制性规定。与电梯节能有关的配套国家产业标准尚未到位, 也尚无电梯能源效率检验检测、能源效率审查与监管等特种设备安全技术规范来对电梯的节能性能进行检测与监管。[2]这就导致目前市场上电梯能量回馈装置产品鱼龙混杂, 产品技术及质量良莠不齐, 用户在选择合适的产品方面产生了很大的困惑, 影响节能电梯的推广。

2.2 价格及成本因素导致推广困难。

新建居民住宅和类似大型政府机构、高档酒店宾馆、商务写字楼等公共建筑来说, 需要采购安装新电梯, 对于同样吨位的电梯, 装有能量回馈装置的电梯相较于普通电梯价格大概会高出10%左右, 即使以后能够通过节能将这部分成本节省出来, 但开发商不愿承担该项成本的支出, 因为电梯的采购安装成本要累计到建房的整体成本中去, 而电梯的运行费用会由将来的业主负责支付, 所以开发商推广带能量回馈装置的节能电梯的积极性不高。由于公共维修基金和物业的收费标准一般在移交到业主手中的时候就已经确定, 而且电梯的用电量只占建筑物中所有设备耗电量的一部分, 加装能量回馈装置后的电梯短期内不会体现出明显的节能经济效益, 成本的回收时间较长。

2.3 缺乏政策导向和有效宣传。

目前由于我国对于电梯的标准更多的侧重于安全标准, 对节能虽然出台了相应的条例, 但对电梯生产企业生产的电梯是否加装节能回馈装置没有强制安装和检验标准, 从源头上没有形成一个良好的政策导向, 另外我国缺少对节能电梯和电梯节能设备生产企业的财政扶持政策, 导致这些企业配合国家节能减排的整体政策的积极性不高, 即使在政府采购的项目中, 作为投资方的政府也很少会特别要求电梯是节能的或者必须加装能量回馈装置, 在这种背景下, 实际上是忽视了电梯节能的实际意义, 没有从国家层面进行有效宣传。

3 电梯节能回馈装置市场推广策略建议

电梯节能回馈装置的应用虽然在电梯的节能环保效果上具有很高的经济效益和社会效益, 但在目前的市场推广过程中遭遇了上述种种困境, 还未引起政府相关管理部门、建筑物开发商、物业管理者、广大使用电梯的业主等人员的足够重视, 因此提出如下推广策略的建议。

3.1 加大宣传力度, 增强人们对电梯节能回馈装置使用效果的认识。

选取典型的有代表性的建筑, 通过对比试验的方法, 对应用节能回馈装置的电梯和普通电梯的实验数据进行跟踪, 将实验的过程和得出的科学实验数据以纪录片的形式在电视、网络、公共建筑电梯入口的多媒体等传播工具上进行有计划、有针对地宣传, 另外可通过对特种设备相关管理部门、广大电梯企业的从业人员以及物业管理者开展自上而下的行业会议的手段, 引导具体的参与者提高使用节能电梯的意识。在政府采购的相关项目中, 将对电梯是否采用了相关的节能技术, 列入强制性要求, 或作为采购招标评标的重要条件, 以一起电梯供货商的广泛关注。

3.2 推动政府部门出台关于电梯节能的强制执行质量和验收标准, 提高电梯的准入门槛。

政府相关部门除了进一步加强电梯的安全标准外, 还应加大研究出台电梯节能方面的强制质量和验收标准, 对电梯的生产以及维修保养将电梯的能效检查列入到强制执行标准中。出台相应的电梯节能标准可参照我国已经成熟的家用电器能效等级制度或者汽车尾气排放的等级制度, 制定电梯的能效等级执行制度, 做到有据有法可依, 对不符合标准的电梯不准进入市场, 在电梯的日常年检中不能达到相应能效等级的电梯实行强制报废, 给电梯生产企业和电梯用户足够的压力。只有相应的制度和标准出台了, 才能很好地促进节能电梯或者节能电梯回馈装置的顺利推广, 以达到节能减排降耗的实际意义。

3.3 政府出台相应的财政扶持政策, 降低能量回馈装置的采购成本。

政府应加快研究财政扶持政策, 并将节能电梯列入电梯政府强制采购节能产品目录, 促进电梯生产企业深入研发节能技术, 政府对生产节能电梯的企业给予一定的税收或检验费用的优惠, 或对节能电梯企业进行奖励政策。对老旧建筑在用电梯, 设立电梯专项补贴资金, 积极更换或安装能量回馈装置的开发商或者业主给予改造节能电梯一定的费用补贴等支持措施, 在这些调控政策的引导下, 降低设备市场供货价格, 使其更具有市场推广应用的基础, 以此来加快电梯节能回馈装置的推广速度。

4 结语

电梯节能利国利民, 符合建设节约型社会以及节能环保的大时代背景, 安装电梯能量回馈装置是众多电梯节能技术的一种, 也是电梯节能应用最方便、最直接、最容易操作的技术手段。它的应用不仅能够达到节能的目的, 还可以令社会、企业和业主多方获益, 因此具有广泛推广的意义。

参考文献

[1]严兵弟.电梯节能技术分析与探讨[J].甘肃科技, 2011.

[2]叶友谊.浅论电梯节能的现状及发展途径[J].黑龙江科技信息, 2009.

再生回馈装置篇5

超级电容器是20世纪七八十年代逐渐发展起来一种新兴储能器件, 与电池储能相比, 具有充放电电流不受限制, 响应速度快, 循环使用寿命长, 环境友好等优点。

随着新能源汽车研究的兴起, 制动能量回收作为延长其续驶里程一种可行方法备受人们关注, 本文针对如何在不影响蓄电池性能的情况下对制动能量进行储存和释放这一问题, 设计了一种基于超级电容器存储, 利用单片机控制的制动能量缓存装置。仿真结果表明, 该设计可有效实现制动能量的存储与释放。

1 超级电容存储单元

超级电容器的单体电压电容值较低, 一般需要进行串并联组合才能达到要求的电压与电容等级。但单体器件参数差异, 串联单体电容电压在工作过程中的存在不一致现象, 导致一部分单体电容电压偏低, 容量不能被充分利用, 而另一部分电压过高, 内部电解液发生分解而失效。因此, 需要进行串联均压处理, 来提高电容器的容量利用率和安全性。

超级电容串联技术, 就其工作原理可大致分为稳压管法、开关电阻法、飞渡电容器电压均衡法和电感储能电压均衡法等方法, 各有其优缺点与适用场合。本文采用均衡效果相对较好单飞渡电容器电压均衡法, 利用一个小容量的普通电容器作为中间储能单元, 将电压高的超级电容器中的能量向电压低的超级电容器中转移, 适合在电动汽车等中小功率的应用场合中使用[1]。

2 硬件电路设计

2.1 双向DC/DC变换器

由于在电机回馈制动系统中没有隔离和绝缘的要求, 故采用由IGBT、快恢复二极管与储能电感组成的非隔离型双向半桥DC/DC变换器。它具有开关元件电流电压应力小, 有源元器件导通损耗小, 元器件数量少及电路结构简单等优点。

2.2 缓冲电路

利用电容电压与电感电流不能突变的特性, 本文设计了一种缓冲电路, 抑制开关元器件在开关瞬间的电压与电流变化率, 同时把吸收的能量传递给负载, 其原理图如图1所示。电感L1, 电容C1、C2以及二极管D1, D2, D3组成缓冲电路, 要求电感和电容的谐振频率远远高于开关管频率, 二极管反向恢复时间足够小。

2.3 控制电路

ATMEGA48作为主控芯片, 产生的PWM控制信号, 经光耦隔离后, 调节开关管S1与S2, 并通过电流、电压及温度传感器对装置的瞬态运行状况进行监测。

2.4 元器件参数选取

为避免开关元件的损坏, 变换器一般工作在连续导电模式下, 且开关元器件的耐压值应是实际峰值的1.5~2倍。因此需确定储能电感的参数, 以保证其在升压模式 (Boost) 与降压模式 (Buck) 下均能储存足够能量。两种模式下电感计算公式分别为:

Uhigh与Ulow分别为双向DC/DC变换器高压侧和低压侧的电压; (DBuck、fBuck、∆IBuck) ) 和 (DBoost、fBoost、∆IBoost) ) 分别为Buck与Boost运行模式下的占空比、工作频率及电感脉动电流。

由 (1) (2) 可得储能电感值:

滤波电容直接影响负载R的电压脉动, 以电压的极限脉动量∆UBoost为临界值, 选用最大占空比Dmax可求得电容极大值为:

3 控制策略分析

超级电容存储单元串接在变换器的低压侧, 高压侧接入电机驱动电路的直流母线。当电机启动或加速时, 开关管S1工作, 变换器处于Boost模式, 可提供额外功率支持。电机减速或制动时, 开关管S2工作, 变换器处于Buck模式, 超级电容器对制动能量进行吸收存储。同时通过温度传感器对超级电容采取实时温度监测, 当大于临界值时, 即执行中断程序。

3.1 Buck模式

采用超级电容侧充电电流环和电压环的双闭环PI控制。当电容电压较低时, 电压环输出值饱和, 此时超级电容处于恒流充电状态;而当超级电容电压达到预定值时, 电压环起作用, 此时处于恒压充电状态。图2为Buck模式下变换器控制框图。

3.2 Boost模式

采用超级电容侧充电电流环和高压侧输出电压外环的双闭环PI控制。参考电压设置与蓄电池电压同步相同。图3为Boost模式下变换器控制框图。

4 实验与仿真

利用MATLAB/Simulink构建电动汽车制动能量缓存装置的仿真模型。其仿真参数为:高压侧为初始电压300V的电容超级电容容量12.5, 串联内阻0.28, 并联内阻10, 参考充电电压和电流为70V与50A, 储能电感0.01H, 滤波电容0.001F, 输出参考电压200V。

图4为Buck模式下低压侧电压波形, 图5为Boost模式高压侧输出电压波形。

5结论

本文在双向DC/DC变换电路的基础上, 设计了一种基于超级电容的制动能量缓存装。仿真结果表明, 可有效实现回馈制动能量的存储与释放, 具有一定的实际应用价值。

参考文献

[1]李海东.超级电容器模块化技术的研究[D].北京:中国科学院电工研究所博士论文, 2006.

[2]吴延平.超级电容器储能系统的直流变换技术研究[D].大连:大连理工大学硕士论文, 2011.