摘 要

在轨道交通逐渐成为主流的今天，如何使城轨列车更加节能环保地运行是一个值得思考的问题。而解决这一问题的关键在于有效地再生利用列车制动时产生的能量。现有的技术中广泛使用超级电容储能系统对列车的制动能量加以储存用于启动过程。超级电容储能系统中以DC-DC变换器作为能量转换装置，超级电容器作为储能装置，要求其充放电速度快。目前对超级电容进行间接电流控制的方法多选用PI调节器控制。

以PI调节器对超级电容进行间接电流控制虽然能使电容的充放电达到快速性的要求，但其电压的稳定性明显不足。自抗扰控制技术是在PID控制上加以改进的，使得电容的充放电速度更加迅速，同时具有很强的抗扰能力。

本文首先介绍了选题的背景，在如今这个提倡节能的时代中，将超级电容储能系统应用于城轨列车上以达到节能的目的具有十分重要的意义。随后，介绍了超级电容储能系统的各部分组成，并推算出其具体的数学模型。在控制器方面，分别介绍了PI控制器与自抗扰控制器，两种控制器的控制原理有所不同，PI控制是被动地消除误差与扰动，具有一定的滞后；而自抗扰控制则是主动地进行观测与预估误差变化，使得扰动对于系统输出的影响大大减小。将系统分别使用PI控制与自抗扰控制进行仿真。仿真结果显示自抗扰控制技术有着较好的抗扰能力，并且使电容的充放电更加迅速。

关键词：城轨列车 电容储能 电流控制 PI控制 自抗扰控制 抗干扰能力 Matlab

Abstract

Nowadays, how to make urban rail train more energy-saving and environment-friendly is a question worth thinking. The key to solve this problem is to effectively regenerate the energy generated by train braking. The existing technology is widely used in the super Capacitor storage system to store the braking energy of trains for the start-up process. In the Super Capacitor energy storage System, the DC-DC converter is used as the power conversion device, and the super capacitor is used as a storage device, which requires the charge and discharge speed. At present, the method of indirect current control of super capacitor is controlled by PI regulator.

The indirect current control of the Super capacitor with PI regulator can make the charging and discharging of the capacitor meet the requirement of speediness, but its stability is obviously insufficient. The automatic disturbance rejection control technology is improved in the PID control, which makes the capacitor charge and discharge faster and has strong anti-interference ability.

This thesis first introduced the background of the topic, in today's energy-saving era, the Super Capacitor storage system used in urban rail train to achieve the purpose of energy saving is very important significance. Then, the components of the super Capacitor energy storage system are introduced, and the mathematical model is deduced. In the controller aspect, the PI controller and the auto disturbance rejection controller are introduced respectively, the control principle of the two controllers is different, the PI control is passive to eliminate the errors and disturbances, and has a certain lag, while the active disturbance rejection control is to actively observe and estimate the error, so the influence of the perturbation on the system output is reduced greatly. The system is simulated by using PI control and auto disturbance rejection control respectively. The simulation results show that the anti-jamming control technology has good anti-interference ability, and the capacitor charge and discharge is more rapid.

Key words：urban rail train capacitor storage energy current control PI control ADRC Matlab

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 超级电容的模型及研究现状 1

1.2.1 超级电容的模型 1

1.2.2 国内外研究现状 2

1.3 自抗扰控制技术的研究现状 3

1.4 论文组织结构 4

第2章 PI控制下的间接电流控制策略 5

2.1 超级电容储能系统 5

2.1.1 结构选取 5

2.1.2 数学模型 6

2.2 PI控制器的结构及数学模型 6

2.3 PI控制的局限性 7

2.4 本章小结 8

第3章 自抗扰控制器 9

3.1 自抗扰控制的特点 9

3.2 自抗扰控制器的构成 9

3.2.1 跟踪微分器 10

3.2.2 扩张状态观测器 10

3.2.3 非线性状态误差反馈控制律 11

3.3自抗扰控制器的算法 12

3.4 自抗扰控制器的参数整定方法 13

3.5 本章小结 13

第4章 基于自抗扰控制的储能系统模型及仿真 14

4.1 模型结构图及仿真结果 14

4.1.1 基于PI环节的储能系统电流控制 14

4.1.2 基于自抗扰控制的储能系统电流控制 16

4.2 仿真结果分析对比 20

4.3 本章小结 21

第5章 结论 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

随着科技的不断进步，交通行业也迎来了迅猛的发展。同时，由于人们生活质量的不断提高，环境与资源问题越来越受到人们的重视。轨道交通凭借着其运输量大、速度快、效率高以及环保节能等诸多优点，逐渐成为了交通运输业中的主流。然而众所周知，列车的运行总有启动与制动两个过渡的运行状态，并且在城市中的有轨电车因站间距离较小，其启动与制动十分频繁。而从能量的角度分析，列车的启动需要从电网中迅速吸收较大的能量，才能达到快速启动的目的，这也导致了在启动过程中，电网方面会因瞬间的能量损耗而产生电压波动，同时对设备造成损害；列车的制动能够将机械能转化为电能回馈电网，但这一行为虽然节省了能源，却同样会使电网电压产生波动，有不利的影响。而如何有效地利用好城轨列车制动时的能量成为节能运行的一大关键。通过以上的分析，我们不难想到在列车上装设储能系统，以储存制动时的能量用于启动，这样就避免了能量对于电网的冲击。车载超级电容由于其充放电速度快、循环使用寿命长等特点得到了普遍的应用与不断的发展。本文主要讨论车载超级电容器的两种电流控制策略。文献[1]讨论了使用PI调节器控制超级电容两端电压的方法，通过较为传统的PI控制，使超级电容的性能满足列车运行的要求，即充放电速度较快。然而，该控制方式仍有不足之处，其对外部干扰的抑制能力较差，当扰动幅值过大时，可能对超级电容的工作产生较大的影响，甚至影响其使用寿命。相比于PI控制而言，基于自抗扰控制技术的超级电容电流控制策略具有更加优秀的充放电速度，同时，对于外部的干扰有着更强的抗扰能力。本文重点在于讨论自抗扰技术的工作原理，特点以及与PI相比之下的优越之处^[1]。

1.2 超级电容的模型及研究现状