基于混合儲能系統含再生制動的直流微電網母線電壓控制方法

王向東

【摘?要】通過儲能系統將城軌交通列車頻繁啟動與制動時產生的剩余能量回收，可以達到直流供電母線穩壓的效果，同時又為列車提供牽引電能。利用蓄電池 - 超級電容對光伏發電系統出力的互補特性，構成蓄電池-超級電容的城軌列車制動時孤島直流微電網系統。在對比分析控制原理的基礎上，提出一種適用于直流微電網混合儲能的雙閉環PI控制策略，研究結果表明，雙閉環控制下的城軌列車制動時微電網具有更好的暫態響應速度及穩定性。

【關鍵詞】再生制動能量;儲能系統直流微電網;控制策略

1.引言

微電網是將分布式的交直流電源、儲能裝置、負載、控制等綜合的小型系統。微電網既能在孤島狀態下運行，獨立向負載提供能量，也能與交直流供電系統并網運行。微電網有直流微電網、交流微電網及交直混合微電網，相比于交流微網，直流微網能減少變流器裝置，既節約成本又能減少損耗。在控制策略的制定上，不需要考慮交流的相位、頻率和無功環流問題，只需保證系統內直流母線電壓的穩定，因而有可靠性高、無相位控制及無功功率困擾等優點。

城市軌道交通的由于城軌站與站之間距離較短，列車的頻繁啟動與制動，產生的的能量約占牽引供電能量的40%以上，如果不能被回收與利用，就會影響供電質量的同時，還會造成列車在進行機械與電氣制動時的溫度升高，在充分吸收剩余再生制動能量的同時，也為牽引供電系統提供能量，隨著大量的儲能裝置應用到城市軌道交通的牽引供電系統中，將會極大改善城軌列車頻繁的啟動與制動對直流牽引網電壓造成的較大沖擊的安全隱患。

2.儲能系統能量回饋系統控制原理

2.1 儲能系統的結構

本文提出的混合儲能系統的結構如圖1所示。10KV/35KV的城市電網經過變壓器和整流器得到直流牽引網電壓，電壓等級一般為1500 V或者750 V，此時可以直接給直流負載電力機車供電，由蓄電池、超級電容和各自的 DC/DC 變換器組成的混合儲能系統，可以在機車頻繁制動時吸收再生制動能量或者在機車啟動、加速時釋放存儲的能量回饋直流母線，來維持直流牽引網電壓的穩定。

2.2 含有儲能系統的牽引供電系統模型

為列車處于牽引、制動工況時，直流線網的能量流動情況。當列車制動時，列車的再生制動能量一部分供給臨近列車牽引使用，一部分被消耗在線路阻抗上，一部分被混合儲能裝置吸收，剩余部分通過空氣制動或制動電阻以熱能的形式消耗。當列車牽引時，混合儲能裝置釋放能量，剩余所需能量由鄰近制動車輛和牽引變電所提供。

當列車制動時，列車的再生制動能量一部分供給臨近列車牽引使用，一部分被混合儲能裝置吸收，防止牽引供電系統直流母線電壓的升高;當列車啟動或加速時，混合儲能裝置釋放能量，用以補償牽引供電系統，防止直流母線電壓過快的下降。

3.雙閉環的混合儲能直流微電網穩定控制策略

3.1 雙閉環的混合儲能直流微電網的拓撲結構

混合儲能系統主要包括儲能元件和雙向 DC- DC 變換器，超級電容和電池分別通過雙向 DC-DC 變換器與直流線網連接，提高了儲能元件控制的靈活性。拓撲結構將直接影響儲能裝置的控制方式。按照直流-直流變換器的數量，可分為直接并聯拓撲、電池和超級電容各帶直流-直流變換器并聯拓撲、電池通過直流-直流變換器并聯拓撲、超級電容通過直流-直流變換器并聯拓撲四種。

這種方式結構最為簡單，兩者的充放電電流和流過的功率都無法進行控制，只能通過內阻自行分配，端電壓只能與直流母線電壓保持一致，不能完全發揮各自的性能優點。

這種拓補結構的特點是蓄電池可以通過良好的控制將流過蓄電池的電流控制在一定范圍內，保證蓄電池的使用壽命。但此情況下超級電容端電壓只能跟母線電壓保持一致，不能充分利用超級電容耐壓的優勢。

這種拓補結構的特點是超級電容的充放電功率受到良好控制，可以充分利用其快速平抑功率的優勢，但是蓄電池的充放電電流和端電壓無法控制，難以保障其使用壽命。

這種拓補結構的特點是控制最為靈活，既可以控制蓄電池的充放電電流，保證使用安全，延長使用壽命;也可控制超級電容的充放電功率，將其快速充放電的優勢發揮到最大化，是現階段研究中采用最多的一種接入方式。

本文采用如圖7所示的結構，實現超級電容和蓄電池的獨立控制：蓄電池和超級電容分別經過雙向DC/DC變換器接入直流母線。用四個獨立的PWM波控制四個IGBT，當IGBT1或IGBT3受PWM控制時，Buck電路運行，直流母線的電力傳輸到超級電容或蓄電池側，通過IGBT1或IGBT3向電池與超級電容充電，而IGBT2和IGBT4不工作。以類似的方式，當IGBT2或IGBT4受PWM控制時，Boost電路運行，電路將功率從蓄電池和超級電容的低壓側升壓至直流母線。蓄電池的充放電控制與超級電容的充放電控制是相互獨立的。

3.2 雙閉環的混合儲能直流微電網穩定控制策略

雙向DC-DC變換器的控制采用傳統的雙環控制，電壓外環穩定直流網壓，電流內環調節儲能元件充放電電流，具體結構如圖8所示。為了減小控制復雜性、提高控制穩定性，混合儲能裝置共用一個電壓環，兩個電流環。其中P*為儲能元件充放電功率指令，U為儲能元件電壓，I*為混合儲能裝電流指令，I為實際儲能裝置電流，PWM為控制輸出。

4.結束語

針對城軌交通的再生能量波動性大等問題，提出了雙閉環控制下的蓄電池與超級電容器混合儲能方式以抑制直流母線電壓波動。為更好發揮蓄電池與超級電容器的作用，設計了以低通濾波器的功率分配機制，以有效區分能量差中的低頻與高頻部分。研究表明，混合儲能雙閉環控制方式可以確保在城軌列車啟動與制動時的再生能量被有效利用的波動的情況下，穩定直流母線電壓，相較于單一儲能控制效果，混合儲能具有更好的動態效果。

參考文獻：

[1]趙亞杰，夏歡，王俊興，等.基于動態閾值調節的城軌交通超級電容儲能系統控制策略研究[J].電工技術學報，2015，30（14）：427-433.

[2]林仕立，宋文吉，馮自平，等.地鐵混合儲能系統及其功率動態分配控制方法[J].儀器儀表學報，2016，37（12）：19-24.

[3]潘家興. 電力機車再生制動能量轉化的探討[J].電工技術，2019（5）：21-25.

[4]喻奇. 新型軌道交通再生制動能量吸收裝置研究[J].城市軌道交通研究，2017，20（7）：14-19.

[5]王似玉.基于車載儲能的輕軌車輛聯合供電系統研究[D]. 北京：北京交通大學，2015.

[6]張秋瑞，畢大強，葛寶明. 地鐵再生制動能量逆變回饋電網裝置的研究[J].電力電子技術，2012，46（9）：61-63.

基金項目：

湖南省教育廳科學研究項目（16C1052）

（作者單位：湖南鐵路科技職業技術學院）