城市軌道交通超級電容儲能裝置控制策略

葉蘭蘭, 鄒 凱, 宋 立

(武漢地鐵運營有限公司, 武漢 430030)

城市軌道交通超級電容儲能裝置控制策略

葉蘭蘭, 鄒 凱, 宋 立

(武漢地鐵運營有限公司, 武漢 430030)

以城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置為背景，針對空載電壓波動下的儲能裝置閾值選擇問題進行探討，首先分析城軌供電系統中空載電壓波動對再生能量回收的影響:1) 更改儲能裝置放電電壓指令，可以改變儲能裝置和整流機組能量輸出的功率比例；2) 傳統恒定閾值放電策略將放電指令與放電閾值固定，因此儲能裝置放電時不能做到對放電功率的控制；3) 采用固定閾值放電策略時，空載電壓值的變化會影響儲能裝置放電輸出能量的大小。然后提出充放電閾值動態調整控制策略，實驗結果表明，對于不同的空載電壓，改進后的控制策略可以根據空載電壓放電指令進行動態調整，使儲能裝置與整流機組的能量輸出比例恒定，從而維持放電時放出的能量不隨空載電壓的波動而變化。

城市軌道交通； 超級電容； 供電系統； 充放電閾值； 控制策略

1 研究背景

城市軌道交通以其速度快、運量大、安全準時的特點，在世界各國的公共交通中都占有重要地位。采用交流牽引傳動系統的車輛也得到了廣泛應用，城軌交通系統向著更加綠色節能的方向發展。城軌交通節能主要通過兩個方面進行：一方面是通過提高供電系統及負載的效率減少損耗；另一方面是充分利用再生制動降低變電所的輸出。再生制動技術可以將列車制動時的動能轉換成電能反饋回牽引網，既可以減少機械制動時閘瓦的磨損，又可以回收制動能量，是一種有效降低地鐵牽引能耗的方式。研究表明再生制動可以反饋消耗能量的30%～40%，但是由于現階段牽引變電所二極管整流的單向性和列車對再生電流的限制，導致再生制動能量不能得到有效的利用[1-4]。因此，再生能量的回收再利用研究顯得十分重要。

圖1 配置儲能裝置的城軌供電系統結構Fig.1 Structure of urban rail power supply system with energy storage device

近些年出現的再生制動能量回收方式主要有兩類，一類是逆變回饋式，另一類是儲能式。逆變回饋方式主要是將再生制動能量通過逆變器從直流牽引網回饋至交流電網；儲能方式是將再生制動能量暫時儲存在儲能裝置內，在列車牽引時放出以達到能量循環利用的目的。根據能量回收裝置儲能元件的不同，可以分為電池型、超級電容型、飛輪儲能型、鋰電容儲能型等。與逆變回饋方式相比，儲能方式雖然有裝置體積大、造價較高的缺點，但是也因為其不與交流電網相連接，有不受電網容量諧波要求限制的優點。與其他儲能元件相比，超級電容有功率密度高、動態性能好、壽命長等優點。作為緩沖裝置，它在能量回收、功率補償等方面有廣泛的應用，其作為城軌交通再生制動能量回收方案的一種也受到了廣泛關注。研究人員針對儲能裝置的系統總體設計、控制策略、容量配置與安裝位置選擇等進行了廣泛研究，提出了雙向DC/DC變流器加超級電容模組的基本結構，電壓電流雙閉環、三閉環等控制策略，基于城軌供電計算的容量配置方法等[5-8]。

在實際工程中，通常以牽引網電壓作為裝置充放電狀態切換的依據，狀態切換閾值的不同會對裝置能量回收效果帶來影響。本文分析了城軌供電系統中空載電壓波動對再生能量回收的影響，并提出充放電閾值動態調整控制策略，最后進行了實驗驗證。

2 供電系統特性與儲能裝置工作原理

2.1供電系統特性

配置超級電容儲能的城軌牽引供電系統示意圖如圖1所示，系統由牽引變電所、牽引網、城軌列車、超級電容儲能裝置(ESS)等組成[9-11]。牽引變電所是城軌列車牽引的主要能量來源，其能量只能從交流電網流向直流牽引網。列車作為城軌系統的主要負載，其能量流動呈現雙向特性，即牽引時消耗能量，再生制動時向牽引網反饋能量。地面式超級電容儲能裝置通常放置于牽引變電所內的高壓側輸出端并接在變電所直流母線上，為保持城軌供電系統的電壓穩定，儲能裝置根據牽引供電系統功率流動狀況進行充放電動作。

2.2超級電容儲能系統工作原理

對于結構如圖2所示的超級電容儲能裝置，超級電容作為儲能裝置的儲能元件，用于儲存剩余再生制動能量；雙向DC/DC變流器作為超級電容與供電網之間的接口，為超級電容充放電，以保證直流牽引網的功率平衡，維持網壓穩定。

圖2 地面式超級電容儲能系統結構Fig.2 Structure of ground type super capacitor energy storage system

雙向DC/DC變流器工作原理如圖3所示，變流器高端并接在變電所直流母線上，低端與超級電容相連。當變流器上管S1動作時，變流器工作在Buck模式(直流電壓變換電路中降壓電路的一種，一般是電池充電時，較高的母線電壓向較低的電池電壓變換)，從牽引網吸收能量為超級電容充電。當變流器下管S2動作時，其工作在升壓狀態，此時超級電容放電。雙向DC/DC變流器通過檢測變電所輸出電壓，判斷儲能裝置的工作狀態。當變電所輸出電壓高于充電閾值Uchar時，儲能裝置切換至充電狀態，自動調整充電功率，維持電壓在直流電壓Udc附近；當變電所輸出電壓低于放電閾值Udischar時，儲能裝置放電，維持在Udichar附近；當牽引網電壓在充放電閾值之間時，儲能裝置待機(見圖4)。

圖3 雙向DC/DC變流器工作原理Fig.3 Working principle of bidirectional DC/DC converter

圖4 儲能裝置充放電策略Fig.4 Charging and discharging strategy of energy storage device

根據儲能裝置控制策略和自身特性，對其外特性進行數學描述如下[9-11]：

(1)

其中，IESS為儲能裝置電流，Udc為直流電壓，Ucontrol為直流控制電壓，PESSlimit是儲能裝置的功率限值，Pdeta是儲能裝置維持網壓穩定需要吸收或放出的功率，當這一功率小于或等于儲能裝置提供的最大功率時，變電所輸出電壓能被鉗位在電壓指令值上；當這一功率大于儲能裝置輸出的最大功率時，則變電所電壓不能被鉗位。

3 空載電壓波動對再生能量回收的影響

根據IEC60146—1—1—2009標準規定，10 kV交流電網電壓的偏差范圍為±7%，35 kV交流電網的電壓偏差為±10%。整流變壓器副邊輸出會隨電網電壓而波動，當波動值δ=7%時，直流側空載輸出電壓為880 V；當波動值δ=-7%，直流側空載輸出電壓為771 V。因此，直流空載電壓輸出范圍為771 V～880 V。

設原空載電壓為Ud0，放電閾值為0.95Ud0，若空載電壓Ud1=1.07Ud0、放電閾值不變，則此時放電閾值Udischar=0.89Ud1。整流機組輸出功率Pthreshold隨放電閾值變化如圖5所示，隨著放電閾值遠離空載電壓，整流機組放出的功率增大。圖6為實際變電所輸出電流隨時間變化的曲線，通過觀察可以發現，隨著放電閾值的下降及整流機組輸出電流(輸出功率)的提升，儲能裝置放電功率和時間均會減少，從而引起放電能量的減少。相反，如果空載電壓升高接近放電閾值，在放電閾值不變的情況下，儲能裝置出力比例和放電時間均將增加，超級電容放電深度變大。

圖5 整流機組功率與放電閾值關系Fig.5 Relationship between discharge power and discharge threshold of rectifier unit

圖6 實際變電所電流Fig.6 Substation current

超級電容的放電深度變化在一定程度上影響儲能裝置能量回收的效果，可以從放電深度不足和放電深度過大兩個方面進行分析。如果裝置放電深度不足，將會導致超級電容剩余容量不足以儲存再生能量，這種情況的發生會明顯降低再生能量的吸收效果；而如果裝置放電深度過大，由于電容的最低電壓限制，雖然不會將其能量全部放出，但會使電容一直工作在低電壓范圍。電容工作電壓的下降首先會增大其工作電流，使其效率降低，其次由于電容最大持續電流的限制，會令儲能裝置最大充放電功率降低。若吸收功率不滿足再生制動的需求，會使得再生制動失效。因此，面對空載電壓波動，如何減少其影響并通過對放電功率能量的合理控制來調整裝置放電深度成為控制策略優化的重要部分。

4 充放電閾值動態調整控制策略

本文提出了一種基于動態閾值調整的控制策略，如圖7所示。該控制策略不僅可以實現對空載電壓的實時跟蹤，還能夠根據變電所空載電壓的變化及線路阻抗進行充電閾值的實時變化，并能夠對儲能裝置的出力進行控制，達到裝置充放電能量平衡的效果。

圖7 動態調整控制策略Fig.7 Dynamic adjustment control strategy

控制器對10 kV電壓進行檢測，根據變電所輸出特性公式，可以得到變電所特性中Ud0、Ud1以及Ig的值，結合變電所等效內阻Req1、Req2可以確定變電所輸出特性，再根據預先設定的Pthreshold及出力系數α進行放電閾值的計算，見式2。

Udischar=

(2)

其中，出力系數α，即儲能裝置輸出電流比例α，為儲能裝置輸出電流占總負載電流的比例；Udischar為儲能裝置的放電閾值；Udischar0為儲能裝置空載的放電閾值，由Pthreshold確定；IESS為儲能裝置電流；Req為儲能裝置等效電阻；Ud為變電所電壓。當變電所空載電壓確定時，變電所輸出特性將被確定，其輸出電壓是輸出功率的函數。當負載功率Pload大于Pthreshold時，儲能裝置啟動，隨著負載功率的上升，裝置出力系數持續上升，當裝置出力系數達到預定值時，進入恒出力系數控制模式，裝置保持出力系數不變。

5 實驗結果及分析

實驗中變電所空載電壓約為870 V，圖8為相同放電閾值840 V時不同充電閾值下儲能裝置工作情況比較：(a)情況下，充電閾值為890 V，由于充電閾值過高，接近車輛制動電阻的啟動值，制動能量全被制動電阻吸收，裝置不能正常充電，超級電容電壓一直處于工作下限；(b)情況下，充電閾值為883 V，高于空載電壓13 V；(c)情況下，充電閾值為875 V，接近空載電壓。對(b)(c)兩次實驗波形進行比較，發現充電閾值接近空載電壓時，儲能裝置充電頻率和深度都有所提升，但(b)情況并未產生再生失效，說明再生制動能量被相鄰列車吸收，而(c)情況下有更少的再生能量被鄰車吸收。相比之下，(c)工況下儲能裝置不僅妨礙了再生能量被鄰車吸收，還加重了儲能裝置的負荷。

圖8 不同充電閾值下儲能裝置工作情況比較Fig.8 Comparison of energy storage devices under different charging thresholds

圖9為相同充電閾值883 V條件下，調整放電閾值儲能裝置工作情況比較。圖(a)(b)(c)充電閾值均為883 V，放電閾值分別為840 V、832 V、825 V時的實驗波形。通過實驗結果的比較可以看出，隨著放電閾值的降低，儲能裝置放電時間與放電深度均變小，(b)(c)兩次實驗中均出現了釋能不充分導致儲能裝置SOC(state of charge，荷電狀態)飽和而不能充電的情況，并且隨著放電閾值的降低，此現象更加嚴重。

圖9 相同充電閾值條件下調整放電閾值儲能裝置工作情況比較Fig.9 Comparison of discharge threshold energy storage devices under the same charging threshold 883V

從實驗結果看，超級電容儲能裝置的動態響應性能和正常充放電控制良好，已經可以穩定、可持續、自動地充放能量，實現節能穩壓效果。

變電所空載電壓存在波動，日間與夜間波動較大；且變電所電壓波動頻率與列車發車間隔密切相關(即隨時間變化)，所以，超級電容儲能裝置必須設計更為智能的程序，可以實時識別變電所電壓特性(控制電壓和波動頻率)，并選擇最好的控制閾值進行充放電，提高節能率。

6 結論

本文首先分析了城軌供電系統中空載電壓波動對再生能量回收的影響：1) 更改儲能裝置放電電壓指令，可以改變儲能裝置和整流機組能量輸出的功率比例；2) 傳統恒定閾值放電策略將放電指令與放電閾值固定，因此儲能裝置放電時不能做到對放電功率的控制；3) 采用固定閾值放電策略時，空載電壓值的變化會影響儲能裝置放電輸出能量的大小。接著提出了充放電閾值動態調整控制策略，對于不同的空載電壓，改進后的控制策略可以根據空載電壓放電指令的動態調整，使儲能裝置與整流機組的能量輸出比例恒定，從而維持放電時放出的能量不隨空載電壓波動而變化，最后進行了實驗驗證。

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Control Strategy for Super Capacitor Energy Storage Device of Urban Rail Transit

YE Lanlan, ZOU Kai, SONG Li

(Wuhan Metro Operation Co., Ltd., Wuhan 430030)

Taking the ground type super capacitor energy storage device of urban rail transit as the research background, the threshold selection of energy storage device under no-load voltage fluctuation is discussed. Firstly, the influence of no-load voltage fluctuation on regenerative energy recovery in urban rail power supply system is analyzed: 1) changing the discharge voltage command of the energy storage device can change the power ratio of the energy output of the energy storage device and the rectifier unit; 2) the traditional constant threshold discharge strategy keeps the discharge command and the discharge threshold fixed, so that the discharge power cannot be controlled when the energy storage device discharges; 3) when the fixed threshold discharge strategy is adopted, the change of the no-load voltage will affect the output energy of the energy storage device. Then the dynamic adjustment control strategy of charging and discharging threshold is put forward. The experimental results show that for different no-load voltage, the improved control strategy can dynamically adjust according to the no-load voltage discharge voltage command, retain the energy output ratio of the energy storage device and rectifier unit discharge so as to maintain the constant release of energy with no-load voltage fluctuations and changes.

urban rail transit; super capacitor; power supply system; charge and discharge threshold; control strategy

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.022

2016-06-18

2017-06-25

葉蘭蘭，女，碩士，助理工程師，從事地鐵節能方面的研究，siyuxinlun@126.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0118-05

(編輯：王艷菊)