基于微電網的城軌再生制動能量回饋系統

路濤濤,田銘興

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070； 2.甘肅省軌道交通電氣自動化工程實驗室(蘭州交通大學), 蘭州 730070)

引言

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)由于站間距短，車輛啟動制動頻繁，運行過程中產生相當可觀的制動能量。以廣州地鐵4號線為例，制動能量占牽引能量的30%左右，如果將這部分能量加以利用，每年節約電能可達8.0×106kW·h，節約電費及設備損耗費可達700萬元/年[1]。

目前針對城軌再生制動能量，有電阻耗散式，逆變回饋式、儲能回饋式等回饋利用及優化運行圖或發車間隔供給相鄰列車等多種利用方式。對再生制動能量儲能回饋的研究主要有儲能容量的優化配置[2-3]，系統數學模型的建立和系統的優化設計[4-6]，以及儲能裝置的控制策略[7-8]等；對再生制動能量逆變回饋的研究主要有系統能饋拓撲結構[9]，回饋能量與接觸網電壓之間關系[10]，以及回饋裝置的優化設計[11]等；優化運行圖利用再生制動能量的研究，主要通過優化時刻表使加速列車和制動列車動作同步，將再生制動能量供給同一供電區間的加速列車使用[12-13]；還有一些文獻對當前再生制動能量的利用方式及工程應用情況作了全面綜述[14-16]。但電阻耗散式造成能量浪費，與節能減排的原則相悖；儲能回饋式所需儲能容量較大，成本較高，同時車載儲能還會增加車體質量；逆變回饋式由于再生制動能量的沖擊性和間歇性可能威脅動力照明系統的電能質量和供電可靠性；優化運行圖或時刻表的方式可能影響城軌的行車安全或造成客流時空分布與行車量時空分布的不統一等問題。

電動汽車作為新興負荷和移動式儲能裝置，其充放電行為具有可調度特性，利用V2G技術使其參與微電網調度，平抑可再生能源出力波動性和間歇性的研究得到了廣泛關注[17-18]。隨著電動汽車的逐漸普及，城軌出入口周邊一般安裝有電動汽車充電樁，方便車主使用。同時，據統計，電動汽車一天內90%的時間都處于停滯狀態[17]，且為滿足電動汽車快速充放電，所用儲能系統一般含有超級電容器，其具有儲能密度大、放電比功率高、快速充放電能力強、循環壽命長，相比于其他儲能裝置，具有更優異的大電流充放電特性[19-21]。借鑒電動汽車的V2G技術，針對目前城軌再生制動能量回饋利用中存在的問題，提出一種基于微電網的再生制動能量回饋系統，由于電動汽車所用儲能裝置大電流快速充放電特性可以匹配城軌再生制動能量時間短、沖擊大的特點，利用電動汽車的閑置時間發揮其儲能特性和可調度特性，平抑再生制動能量的沖擊性和間歇性，使車站動力照明系統能夠盡可能多地使用再生制動提供的綠色電力，實現節能減排。

1 系統結構

基于微電網的城軌再生制動能量回饋系統結構示意如圖1所示，Buck變換器接于站臺接觸網，當有列車進站時，將再生制動能量回饋給直流母線，由直流母線進行再生制動能量的分配，當無列車進站時，Buck變換器處于閉鎖狀態。

圖1 基于微電網的城軌再生制動能量回饋系統示意

電動汽車由于其充放電可調度，將其作為能量緩沖環節，平抑制動能量的間歇性和沖擊性。其充放電主電路采用基于互補PWM控制的雙向DC/DC變換器，當有列車進站時，吸收再生制動能量的峰值，平抑再生制動能量的沖擊性；當無列車進站時，作為電源為車站動力照明系統供電，彌補制動能量的間歇性。逆變器采用恒功率控制，為車站動力照明系統提供穩定功率，以減小制動能量的沖擊性和間歇性對系統的不利影響，使系統能夠盡可能多地使用再生制動提供的綠色電力。

2 運行控制

2.1 再生制動能量回饋控制

由于城軌采用二極管多脈波整流機組為列車供電，能量只能單向流動，當進站列車再生制動時，一部分制動能量會被相鄰列車吸收，剩余能量將會使接觸網電壓升高。因此，根據站臺處接觸網電壓來判斷是否有列車再生制動，當檢測到站臺處接觸網電壓高于Buck變換器回饋控制的啟動電壓時，啟動Buck變換器，回饋再生制動能量，當檢測到站臺處接觸網電壓低于Buck變換器回饋控制的啟動電壓時，Buck變換器處于閉鎖狀態。城軌列車進站時能夠回饋的最大制動功率與接觸網電壓之間的關系為[10]

(1)

式中，Uc為接觸網電壓；μa和μb分別為接觸網和鋼軌的電阻率；d為制動列車距車站的距離。

這里給出一種基于飽和PI調節器的再生制動能量回饋控制方法，其控制框圖如圖2所示，由接觸網電壓外環和Buck變換器電感電流內環組成。圖中，Ust為再生制動能量回饋啟動電壓，iL為Buck變換器輸出電流。

Buck變換器回饋控制的調節過程為：當UcUst時，Uc與Ust的偏差經飽和PIu調節器輸出為Imax(Imax為最大制動回饋電流)，快速回饋制動能量，以維持接觸網電壓的穩定。

圖2 再生制動能量回饋控制框圖

相比于傳統控制斷路器通斷的回饋方法[22]，該方法中的飽和PI調節器可以起到斷路器的作用，回饋系統可以取消直流斷路器，減少系統投資成本和運行維護費用。

2.2 逆變器恒功率控制

為減小再生制動能量的沖擊性和間歇性對車站動力照明系統的不利影響，逆變器采用恒功率控制，其控制框圖如圖3所示。同時為減小諧波污染，電流環采用PR控制器，使并網電流正弦化。圖中，Pset為給定功率；Us為交流母線電壓；PLL為鎖相環；Kpwm為逆變器放大倍數；L為濾波電感；R為損耗電阻；U0為逆變器輸出電壓；iabc為逆變器輸出電流。

圖3 逆變器恒功率控制框圖

設城軌車輛一個牽引、惰行、制動工況的時間為T，再生制動的時間為t，則再生制動功率最大值在一個牽引、惰行、制動工況下的平均值

(2)

逆變器恒功率控制時，將其參考功率給定為再生制動功率理論計算值在一個牽引、惰行、制動工況下的平均值，即

(3)

2.3 電動汽車充放電控制

將電動汽車作為儲能單元，發揮其可調度特性，在回饋再生制動能量時，吸收制動能量的峰值，平抑制動能量的沖擊性，回饋結束時，作為電源為車站動力照明系統供電，彌補制動能量的間歇性。因此，其充放電功率

PEV=Prb-Pset

(4)

式中，Prb=Udc·Ibuck為實際回饋的再生制動功率，即Buck變換器輸出功率；Udc為直流母線電壓；Ibuck為Buck變換器輸出電流；Pset為逆變器輸出功率。

圖4 電動汽車充放電控制框圖

3 協調控制

從圖1可以看出，再生制動能量需根據接觸網電壓進行回饋控制；并網逆變器需恒功率控制；電動汽車儲能單元吸收制動能量的峰值，并彌補制動能量的間歇性，但輸出受容量約束，需根據荷電狀態(state of charge，SOC)進行充放電管理。

圖5 協調控制框圖

4 仿真分析

為驗證所提基于微電網的城軌再生制動能量回饋系統的可行性，在Matlab/Simnlink中搭建如圖1所示仿真系統。仿真中設再生制動功率最大值為50 kW，且無相鄰列車吸收，一個牽引、惰行、制動工況的時間為5 s，再生制動時間為2 s，制動功率的平均值為20 kW；電動汽車儲能單元仿真中用超級電容器代替，其電容值設為5F，額定電壓為500 V；回饋系統啟動電壓設為1 750 V。

圖6 再生制動能量微電網回饋仿真波形

圖6所示為基于微電網的再生制動能量回饋系統運行控制仿真波形，圖中，Prb為再生制動回饋功率，P0為逆變器輸出功率，PEV為電動汽車充放電功率。

從圖6(a)、圖6(b)仿真波形可以看出：1～4 s期間接觸網電壓低于1 750 V，再生制動回饋功率為0，由電動汽車放電使逆變器輸出恒功率20 kW，平抑制動能量的間歇性；4 s時接觸網電壓高于1 750 V，以最大電流回饋制動能量，逆變器恒功率運行，輸出功率20 kW，這時電動汽車吸收制動能量的峰值，穩定后其充電功率為30 kW，平抑制動能量的沖擊性；6 s時接觸網電壓低于1 750 V，回饋結束，再生制動回饋功率為0，這時與1～4 s期間的運行狀態一致。

從圖6(c)可以看出，在整個運行過程中直流母線電壓都保持在1 000 V左右，使系統穩定工作；從圖6(d)可以看出，基于PR控制的逆變器輸出電流諧波畸變率只有0.67%，對動力照明系統無諧波污染。

圖7所示為電動汽車電狀態越限仿真波形，以越下限為例，仿真中電動汽車儲能荷電狀態下限設定為25%，其初始荷電狀態設為33%。圖中符號含義與圖6相同。

圖7 電動汽車荷電狀態越限仿真波形

從圖7(b)可以看出，2.5 s時儲能荷電狀態達到設定下限25%，SOC與SOCmin的偏差經滯環比較器1輸出為1，此時逆變器給定功率修正值-20 kW，逆變器參考功率給定Pset=0，電動汽車放電功率PEV=Prb-Pset也為0，系統轉為待機狀態；4 s時，接觸網電壓高于1 750 V，系統開始回饋再生制動能量，電動汽車開始充電，其荷電狀態恢復到安全可控范圍內，逆變器也恢復到恒功率運行，4 s以后的運行狀態與圖6一致，不再贅述。

從上述仿真波形和分析可以看出，所提基于微電網的再生制動能量回饋系統是可行的，電動汽車能夠平抑再生制動能量的沖擊性和間歇性，同時保證其荷電狀態的安全可控。

5 結論

城軌由于站間距短，車輛啟動制動頻繁，運行中產生相當可觀的制動能量，利用電動汽車的儲能特性和可調度特性，提出一種基于微電網的再生制動能量回饋系統。

(1)為維持接觸網電壓的穩定，提出一種基于飽和PI調節器的再生制動能量回饋控制，可根據接觸網電壓快速回饋再生制動能量。

(2)為使電動汽車能夠快速充放電平抑制動能量的間歇性和沖擊性，使逆變器以恒功率運行，提出一種電壓電流雙閉環的電動汽車充放電控制策略和基于PR控制器的逆變器恒功率控制。

(3)為避免電動汽車平抑制動能量沖擊性和間歇性時發生過充或過放，提出一種基于滯環比較器的協調控制方法。