0 引言
目前，矿山运输中使用较多的是矿用铅酸蓄电池电机车，其以直流电动机作为驱动电动机，虽然牵引性能良好，启动转矩较大，但启动方式是串电阻启动，启动过程会消耗大量电能，需经常对其进行充电[1]。现有的矿用铅酸蓄电池电机车充电系统主要由三相电源、充电电路和储能元件(铅酸蓄电池)组成。其中，充电电路为晶闸管相控整流电路，整流得到的直流电中含有大量纹波，电能质量差；以铅酸蓄电池作为储能元件，功率密度低，寿命短，且铅酸蓄电池与车身通过插销连接，充电时需要从电机车上拆卸下来运到专用充电机房进行充电，充电过程费时费力，大大降低了工作效率[2]。
针对目前矿用电机车充电系统中充电电路和储能元件存在的问题，设计了一套矿用电机车车载充电系统。用功率密度大、能快速充放电、寿命长、适用于大功率、大电流场合[3-5]的超级电容代替铅酸蓄电池，并且固定在电机车上，充电时无须拆卸；用体积小、能耗低、启动转矩大、调速范围宽的永磁同步电动机[6]代替直流电动机，永磁同步电动机定子绕组简单重构后，作为PWM整流电路中的升压电感，使其能直接连接电源进行充电；用一体化车载充放电电路代替晶闸管相控整流电路，采用更优的PWM整流控制策略代替相控整流控制策略，以达到提高单位功率因数、输出高质量电能的目的。
1 矿用电机车车载充电系统
矿用电机车车载充电系统主要由三相交流电源、PWM整流电路、Buck斩波电路及超级电容组成，如图1所示。三相交流电源提供电能，经过PWM整流电路整流后，得到高质量的直流电。但经过整流得到的直流电电压过高，直接对超级电容充电可能会损坏器件，需要Buck斩波电路进一步把电压降低到合适的值后再对超级电容充电。
图1 矿用电机车车载充电系统组成
Fig.1 Composition of on-board charging system of mine-used electric locomotive
2 充电放电一体化电路结构
2.1 一体化电路
矿用电机车充电放电一体化电路如图2所示,其有2种工作模式：充电模式和放电(驱动)模式。图2中，SC为储能超级电容组，VT7、VD8及L组成充电电路中的Buck电路，C为滤波稳压电容。VT1—VT6组成双向变换器，在驱动模式下作为逆变器使用，在充电模式下作为整流器使用。KM是电磁接触器，开关触点连接在电动机的定子绕组上。在驱动模式下，LA、LB、LC分别与KM-2端子连接，定子三相绕组连接成星形，永磁同步电动机工作于电动运行状态。充电模式下，控制KM线圈得电，开关触点KM-1闭合，LA、LB、LC被KM-1接入三相交流电源uA、uB、uC，电动机三相绕组变成了PWM整流电路中的升压储能电感LA、LB、LC。
2.2 定子特殊绕组通电对转子的影响
在充电状态下，定子三相绕组开关断开，变成3个独立的电感。当独立的定子绕组电感LA、LB、LC分别通入交流电压uA、uB、uC时，定子每相绕组电感在其周围产生磁场。电动机定子结构中，三相绕组AX、BY、CZ(A、B、C是出线端，X、Y、Z是进线端)沿圆周呈对称分布。在充电模式下，三相绕组两两断开，通电后会在其周围产生磁场，按右手螺旋定则规定绕组轴线的正方向，将这3个方向作为空间坐标轴的轴线，建立ABC三相静止坐标系。同时根据转子永磁体磁极轴线d轴及与其垂直的方向确定dq平面直角系，定子绕组分布及坐标系如图3(a)所示。以A相绕组为例，分析通电产生的磁场对转子的影响。A相绕组的A端和X端产生的磁场分布如图3(b)所示，A相绕组A端电流从纸面流向纸外，X端电流从纸外流向纸面。从图中可以看出，S极与A轴正方向重合。此时，对于转子来说，A端和X端产生的空间磁场在其上产生的作用力大小相等、方向相反，永磁体此时受力平衡，转子上转矩为零，转子静止。
图2 充电放电一体化电路
Fig.2 Integrated circuit for charge and discharge
(a) 定子绕组及坐标分布
(b) A相绕组的A端和X端产生的磁场分布
图3 定子绕组通电分析
Fig.3 Analysis of electrify of stator winding
同理可得B相、C相通电时转子的转矩也为零，转子静止。
2.3 放电电路
当接触器KM处在驱动模式下时，LA、LB、LC的XYZ端由KM开关触点连接在一起，形成永磁同步电动机的三相绕组，得到如图4所示的放电电路。超级电容器工作在放电状态，电能通过VD7和三相电压型逆变器后转换成永磁同步电动机的机械能，电机车工作在电动运行状态。
图4 放电电路
Fig.4 Circuit of discharge
2.4 充电电路
当一体化充放电电路在充电模式时，其电路如图5所示。其中，LA、LB、LC的XYZ端由KM接触器控制分开，分别连接到三相交流电源上，与三相逆变器一起组成PWM整流电路。充电电路采用两级式充电结构，前一级主要由三相交流电uA、uB、uC、升压储能电感LA、LB、LC及PWM整流桥组成；后级电路主要是Buck电路，由VT7、续流二极管VD7、电感L组成，主要用来控制超级电容器的充电电流。
图5 充电电路
Fig.5 Circuit of charging
3 充电控制策略
采用三相PWM整流代替传统电机车的相控整流，解决了相控整流电路中存在大量谐波的问题，可提高单位功率因数[7-10]。
3.1 PWM整流控制策略
一体化车载充电电路中的三相PWM整流的控制策略是基于dq旋转坐标的双闭环控制，即电压电流双闭环和电压前置反馈相结合。双闭环控制中，电压环是外环，电流环是内环。电压前置反馈目的是输出稳定直流电，双闭环控制目的是实现单位功率因数。
在dq旋转坐标系下，三相交流电uA、uB、uC的电压方程为
(1)
式中：uLd、uLq、uId、uIq分别表示dq坐标系下电网电压和整流器交流侧输入电压；iLd、iLq为电感电流；L为绕组电感；ω为电源角频率。
根据式(1)，输入整流器的有功功率P和无功功率Q分别为
(2)
为实现单位功率因数，无功分量Q=0，则iLq、uLq都为零，式(2)可简化为
(3)
电压前置反馈的是直流输出侧的电压udc，电流环反馈的是dq旋转坐标系下的电感电流iLd、iLq。控制量
的表达式为
(4)
根据前述分析，得到矢量控制结构，如图6所示。
图6 dq解耦矢量控制结构
Fig.6 Structure of dq decoupling vector control
3.2 Buck电路控制策略
Buck电路由VT7、续流二极管VD7、电感L组成，主要对超级电容器进行充电控制。Buck电路控制策略采用PWM电压、电流双闭环控制[11]。电流环是内环，电压环是外环。采用双闭环控制是为了保证恒流高效充电的同时限制最终的充电电压，Buck电路控制原理如图7所示。图7中，uref为外部给定电压，iL-ref为给定充电电流，Gid(s)为占空比扰动对电感电流iL(s)的影响，iL为流过电感的电流，ki为电流比例系数，Gvi(s)为电感电流扰动iL(s)对超级电容电压uSC(s)的影响，Gvd(s)为占空比扰动d(s)对超级电容电压uSC(s)的影响，kv为电流比例系数。
图7 Buck电路控制原理
Fig.7 Control principle of Buck circuit
占空比扰动d(s)对电感电流iL(s)扰动的传递函数为
(5)
占空比扰动d(s)对超级电容电压uSC(s)的扰动传递函数为
(6)
电感电流扰动iL(s)对超级电容电压uSC(s)的扰动传递函数为
(7)
式中：CSC为超级电容组容量；Res为超级电容组等效内阻；Ui为Buck电路输入电压。
超级电容充电电流的大小决定于其储存电量的大小。充电过程中电流与电量关系如图8所示。根据监测到的SOC%(State of Charge)值，将充电分为5个阶段。在0～t1阶段，为了避免突加大电流对超级电容器造成的冲击，电流从零开始上升，逐渐达最大值，SOC%开始增加；在t1～t4阶段，保持大电流快充，SOC%快速升高至70%；在t4～t5阶段，电流逐渐降低，电量增速变慢直至SOC%为80%；在t5～t8阶段，再次降低充电电流，直至电量接近100%，在充电初期和中期，电压外环处在饱和状态不起作用，主要由电流环来控制；在t8～t9段，快充满时，电压外环退出饱和，实现电压控制，充电电流逐渐降低，转入恒压浮充阶段。这种控制策略可以实现对超级电容的高效、安全充电。图中，i1～i10代表SOC%达到10%～100%时对应的充电电流的大小。
图8 充电过程中的电流与电量关系
Fig.8 Relation between current and electric quantity in charge process
4 仿真与分析
为了验证矿用电机车车载充电系统的可靠性，在Matlab/Simulink环境下搭建了充电系统仿真模型。超级电容模组选择MUCK24V2870能量型的超级电容模组。若电机车的蓄电池储能容量为16 kW·h，改为超级电容模组后，端电压取300 V，其容量可按式(8)计算。
(8)
式中PSC为矿用超级电容用电机车储能容量，计算后得到容量为1 250 F。
接入电网三相交流电后，电动机绕组与电网连接，定子绕组作为升压电感使用。接入三相电，电动机由静止状态转换到充电模式。充电过程分为2步：第1步是采用PWM整流技术将电网的三相交流电整流成合适的直流电，第2步是控制斩波电路对超级电容充电。
一体化充电电路的转子转速波形如图9所示。从图9可知，在充电开始时的0.2 s内，转子有很低的转速，0.2 s后，转速变为零，转子静止，说明在充电状态下，转子没有转速，电动机处于安全稳定状态。
图9 一体化充电电路的转子转速波形
Fig.9 Waveform of rotor speed of integrated charging circuit
电网侧电压、电流曲线如图10所示，经过很短的时间，电压、电流的相位就达到了同步，实现了单位功率因数，可输出高质量直流电。
图10 电网侧电压、电流曲线
Fig.10 Voltage and current curve at grid side
充电电流曲线如图11所示。为了避免突加电流冲击超级电容器，在充电前期，从零开始逐渐增加电流，2 s后，电流达到最大值，保持充电电流不变。22 s后，电量达到70%，此时，降低充电电流。26 s后，电量达到80%，再次降低充电电流，进入慢充阶段，持续22 s。48 s后，转入恒压充电，电流逐渐降为零，充电完成。图11说明了超级电容的充电电流范围大，既可大电流快速充电，也可以小电流浮充，整个充电过程大概需要50 s。
图11 充电电流曲线
Fig.11 Charging current curve
超级电容电量曲线如图12所示，充电开始到结束时间大概需要50 s，充电时间远远小于蓄电池充电的时间，反映出超级电容快速充电的特性。
图12 超级电容电量曲线
Fig.12 Curve of electric quantity of supercapacitor
5 结语
矿用电机车车载充电系统采用三相PWM整流电路与Buck电路串联电路代替传统的相控整流电路，用永磁同步电动机代替传统的直流电动机，对定子绕组进行简单重构，重构后定子绕组变成普通电感，作为PWM整流电路中的升压电感，储能元件采用性能更好的超级电容，实现了车载快速充放电功能。仿真分析结果表明，该充电系统能够实现功率因数校正、抑制纹波、高效快速充放电等功能，满足矿用电机车的使用要求。
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