一種基于直流微網技術的新型地鐵能量回饋系統

王書予， 許烈， 劉然， 王奎， 李永東

(清華大學 電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084)

0 引 言

近年來，隨著城市軌道交通的快速發展，城市軌道交通系統的能量消耗也越來越大，以北京地鐵為例，其在2016年的能量消耗達到了1.4億kWh[1]。因此在能源短缺與環境惡化的雙重問題下，改造傳統地鐵供電系統，提高地鐵供電系統的能源利用率具有重要的意義。

傳統地鐵供電系統主要由牽引網和動力照明網兩部分構成，由所在區域變電站或地鐵主變電所進行供電。目前牽引網側直流母線主要通過牽引網經過不控多脈整流器獲得，但由于多脈整流器只能實現功率單向流動，地鐵在剎車過程中回饋的能量只能通過制動電阻耗散或由旁車吸收，造成了很大能量損失。以韓國首爾地鐵2號線為例，在不同站間距和發車間隔的條件下，地鐵剎車所損耗的能量占總牽引能量的21%～39%[2]。同時，地鐵較高的起動剎車功率對牽引變電站峰值功率提出了較高的要求。此外牽引網側直流母線電壓也由于多脈整流器較軟的外特性會產生較大的電壓波動。另一方面，配置給站內設備的不間斷電源(UPS)常年處于浮充的工作狀態，不能充分利用電源的儲能功能。因此為解決上述問題，需要對現有地鐵電網架構改進。

直流微網作為目前學術界、工業界的研究熱點，能夠較容易地將儲能設備和新能源系統整合[3-4]。而地鐵牽引網側直流母線也可以看做一種直流微網，因此，可以考慮采用直流微網的相關技術去解決上述地鐵電網中存在的問題。

將儲能設備引入地鐵電網，能夠吸收地鐵回饋能量，同時主動控制牽引網側直流母線電壓。目前已有一些對牽引網側直流母線電壓控制方法的研究，文獻[5]提出一種可以充分發揮超級電容功率平滑特性的基于列車運行狀態的超級電容優化控制方法，但是該方法依賴于列車運行速度和位置工況，對系統通信要求較高，降低了可靠性。文獻[6]提出一種不依賴于列車工況信息的直流母線電壓控制方法，但該方法沒考慮超級電容荷電狀態(SOC)。此外，地鐵列車運行功率達MW級，需多個變換器并聯，因此還需通過控制合理分配并聯變換器間的功率。下垂控制是直流微網中一種常用的控制方法，具有并聯自然均流和分布式的特性[7]。文獻[8]提出了一種直流母線電壓信號(DBS)的控制方法，僅依賴本地電壓信息，便可實現均流及運行模式的切換，該方法的缺點在于網壓必然會出現跌落現象。

微網中常用由超級電容(SC)和電池(BAT)構成的混合儲能系統(H-ESS)來平抑負荷波動，從而充分發揮不同儲能的優勢[9]。目前已有對混合儲能的功率分配策略的研究，文獻[10]提出采用低通濾波算法對超級電容和電池進行功率分配，但是方法中未考慮超級電容的SOC，易造成SOC越限，影響高頻功率的平抑效果。文獻[11]提出將混合儲能系統引入地鐵電網，采用變低通濾波常數的分配方法，能夠兼顧超級電容和電池的高低頻特性，但濾波常數與分配功率間呈非線性關系，難以調整濾波常數[12]。文獻[13]提出一種基于超級電容SOC的功率分配方法，可避免超級電容SOC的越限發生，但是功率分配結果的頻域特性較復雜。同時還有對并聯模塊間SOC均衡方法的研究，文獻[14]提出了一種自適應下垂系數的控制方法，可以實現儲能模塊間SOC均衡。文獻[15]指出文獻[14]的方法會影響系統動態特性，降低系統穩定性，并提出一種平移下垂曲線的SOC均衡方法。但該方法無法實現SOC的復位，會影響UPS的應急功能。

本文提出一種新型的地鐵能饋系統架構，能解決現有架構中的問題，使剎車能量能全部被吸收利用，并大幅減小牽引網側直流母線的電壓波動，大幅降低牽引變電站的峰值功率，充分利用站內UPS資源。為很好地控制母線電壓并合理分配模塊功率，常采用直流母線電壓信號(DBS)的下垂控制方法。本文提出一種改進的下垂控制方法，通過平移下垂曲線實現電池SOC的閉環控制，能夠充分發揮電池功率平抑作用，保障UPS的應急功能。

1 新型地鐵能饋系統架構

1.1 現有地鐵能饋系統架構

為解決傳統地鐵電網架構中的再生失效問題，現有架構主要通過能饋PWM變換器將能量回饋到電網，或是通過儲能裝置吸收再生制動能量。

圖1是基于能饋PWM變換器的地鐵能饋系統，再生制動能量回饋至牽引網或是低壓動力照明母線[16]。

圖1 基于能饋PWM變換器的地鐵能饋系統Fig.1 Metro energy feedback system architecture based on regenerative PWM converter

將能量回饋至動力照明網能夠實現牽引網與動力照明之間的能量交互。但是無論回饋至哪個電網，都未能解決牽引網側直流母線電壓波動大、牽引變電站峰值功率高以及UPS資源閑置的問題，并且能量回饋會對電網造成一定的沖擊。

為解決上述問題，并避免能量回饋對電網的沖擊，可采用如圖2所示的飛輪儲能或超級電容抑制列車負載的脈沖功率[17]。

圖2 基于儲能裝置的地鐵能饋系統Fig.2 Metro energy feedback system based on energy storage systems

引入儲能裝置能夠將剎車能量全部吸收，減小牽引網側直流母線電壓的波動，減小牽引變電站的功率峰值需求。但是由于列車功率峰值大，使用單一類型儲能裝置成本過高，并且無法充分利用站內UPS資源。文獻[18]提出采用混合儲能裝置，充分整合站內UPS設備，減少儲能裝置成本，但是缺少詳細分析和實驗驗證。

1.2 基于直流微網技術的地鐵能饋系統架構

為了解決現有地鐵能饋系統中的問題，本文提出一種如圖3所示的新型地鐵能饋系統。

圖3 基于直流微網技術的地鐵能饋系統Fig.3 Metro energy feedback system architecture based on DC microgrid technology

在新型系統中，利用三端口雙向隔離型DC/DC變換器(IBDC)，將超級電容與站內UPS電池組成的混合儲能裝置接入牽引網側直流母線，且采用多模塊并聯的方式，平抑列車的大功率波動，減小直流母線電壓波動，降低變電站功率峰值。同時能夠充分利用站內UPS電池，減小所需儲能裝置的容量，降低成本。

同時，傳統UPS中的鉛酸蓄電池無法滿足上述系統的要求，因此可以考慮將其替換為功率型鈦酸鋰電池(LTO)。功率型鈦酸鋰電池適用于軌道交通領域，充放電倍率可達6C以上，且具有較長的循環壽命和較好的安全性。另一方面，系統運行過程中需控制UPS電池的SOC始終高于一定的閾值，以保障UPS的應急功能正常運行。

2 系統控制和能量管理策略

考慮兩模塊并聯的情況，本文提出的地鐵能饋系統電路圖如圖4所示。

圖4 新型地鐵能饋系統電路圖Fig.4 Schematic of proposed metro energy feedback system

對新型系統的分析中可以利用含內阻的單向供電直流電壓源來等效牽引網和多脈整流器[20]。三端口的DC/DC變換器采用三有源橋變換器(TAB)，其具有控制簡單、高效、高功率密度、安全性高的特點[21]。依照列車的運行功率曲線，可以利用恒功率源來等效列車牽引負載功率。

2.1 系統理想功率分配

典型的列車運行功率曲線如圖5所示。

圖5 列車功率曲線及牽引變電站和H-ESS間的功率分配Fig.5 Traction power curve and power distribution between traction substation and H-ESS

可將列車的運行工況分為牽引、巡航、剎車和停車，其中牽引和剎車時功率峰值很大，達MW級。

理想情況下，列車的牽引功率由H-ESS和牽引變電站共同提供，且H-ESS可以吸收全部剎車回饋能量，并將功率平均分配給并聯的模塊。從牽引和剎車的過程上看，H-ESS供給和吸收的能量基本相同，能充分發揮其平滑功率的能力，并且使站內UPS電池的SOC始終保證應急功能所需。H-ESS中兩種儲能裝置充分發揮優勢互補的作用，超級電容主要吸收高頻功率，UPS電池主要吸收低頻功率。

2.2 系統控制方案

平衡母線電壓并按照上述方案合理分配功率，是系統整體控制的目標。圖6是系統控制框圖，包括電池SOC復位控制、直流母線電壓下垂控制、H-ESS功率分配、TAB變換器移相控制四部分。

圖6 系統控制方法和能量管理策略示意圖Fig.6 Diagram of system control methods and energy management strategies

在下垂控制中，下垂曲線的偏移量可以根據UPS電池的SOC得到，使得電池SOC能夠復位為設定值，并保證各模塊間SOC均衡。采用分段DBS控制得到牽引工況和剎車工況下的電壓參考值，維持直流母線電壓平衡，實現并聯模塊間功率的自然平均分配。首先，通過電壓PI調節得到H-ESS的功率參考值，并根據超級電容SOC，調整低通濾波的功率分配結果，得到超級電容和電池的功率指令。然后，再電流PI調節得到移相角指令。最后，通過TAB變換器進行移相控制，實現超級電容和電池的功率輸出。

2.3 TAB變換器的移相控制

TAB變換器由雙有源橋(DAB)變換器擴展為三端口得到，其等效電路圖如圖7(a)所示。

圖7 TAB變換器等效電路和移相控制電壓電流曲線Fig.7 Equivalent circuit and phase shift control curves of TAB converter

參考DAB變換器的分析方法，同樣可以用一個方波的交流電壓源來等效TAB變換器任一端口的電容和H橋，用電感來等效變壓器(包括外加電感)。因此，只需要調整交流電壓源之間的移相角φsc、φbat，就可以通過電感Lsc、Lbat傳輸和調節超級電容及電池功率Psc、Pbat，分別為

(1)

2.4 基于直流母線電壓信號的下垂控制

DBS具有無需通信，可靠性高以及并聯模塊功率自然均分的優點。由于電源和負載的功率匹配情況可以由直流母線電壓變化體現，故僅通過本地的直流母線電壓信息就可以完成各模塊間的通信，實現模式切換等功能，且下垂控制方法保證了并聯模塊間的功率能夠自然平均分配。雖然下垂控制會導致直流母線電壓跌落，但在本應用場景中，這一缺點可以忽略。因為即使無DBS控制，牽引變電站自身的下垂特性也會導致直流母線電壓跌落，且相比之下DBS導致的網壓跌落很小。

對于H-ESS外特性下垂曲線的設置如圖8所示，當列車處于牽引工況時，列車功率Pvehicle>0，母線電壓小于牽引變電站空載電壓UdcUtract0，故將H-ESS的外特性設定為一條斜率為-RdH，截距為Udc0H(Udc0H>Utract0)的下垂曲線。

圖8 牽引和制動模式牽引變電站和H-ESS下垂特性曲線Fig.8 Droop curves of traction substation and H-ESS modules in traction and braking modes

穩態下，牽引變電站和H-ESS吸收的功率以及牽引直流母線電壓表達式分別如下：

(2)

可以看出，當列車處于牽引工況時，且牽引功率小于(Utract0-Udc0L)/Rdtract時，列車全部功率由牽引變電站提供。當RdL<

2.5 自適應系數低通濾波功率分配法

傳統的低通濾波功率分配方法如式(3)所示(kpower=1)。其中電池能量密度較高，適合吸收低頻功率波動，超級電容與之互補，適合吸收高頻功率波動。

(3)

式中：Pref為H-ESS輸出功率參考值；ωLPF為濾波器截止角頻率。傳統低通濾波功率分配方法中，若超級電容容量較小，容易導致電池SOC過早達到極限值SOCscH,SOCscL的情況，電池轉而吸收高頻功率，影響電池壽命。因此可以根據超級電容的SOC，實時調整系數kpower進而調節超級電容功率，對傳統方法改進下：

(4)

2.6 可實現SOC復位的平移下垂曲線法

通過向上或向下平移下垂曲線，即改變下垂曲線的截距，可調整模塊的輸出功率，如圖9所示。

圖9 平移下垂曲線方法示意圖Fig.9 Diagram of voltage shifting method

直流母線電壓參考值為：

(5)

當Udc保持不變時，功率的調節ΔP和電壓的平移量ΔU0的關系為

(6)

改變下垂曲線的截距，使得混合儲能并聯模塊中SOC較大的輸出較多功率，SOC較小的吸收較多功率，從而調節分配給各并聯模塊的功率，實現各模塊SOC均衡。同時為保證電池的SOC始終高于閾值，以保證UPS應急功能的正常運行，因此需要采用PI閉環調節的方法對電池SOC進行控制，調節H-ESS與牽引變電站間的功率分配，即

(7)

式中，kpSOC,kiSOC為SOC環的PI參數，SOCbatref為電池SOC參考值。

3 仿真驗證

基于廣州地鐵九號線的數據，利用PLECS對新型地鐵能饋系統及其控制和能量管理策略進行驗證，列車功率曲線同圖5，仿真參數如表1。

表1 仿真模型的參數

圖10是傳統能饋系統和所提出的新型能饋系統牽引直流母線電壓的仿真波形。傳統能饋系統中直流母線電壓在950～1 800 V之間，而新型系統中直流母線電壓僅在1 240～1 550 V之間，可見新型系統能大幅降低網壓波動。圖11是傳統能饋系統和新型能饋系統牽引變電站功率仿真波形。傳統系統牽引變電站功率峰值達2.1 MW，而新型系統僅達1.3 MW，大幅降低了牽引變電站的功率峰值。圖12是H-ESS功率分配波形，可見H-ESS提供了列車部分牽引功率并吸收了所有剎車功率。電池和超級電容分別提供了功率的高低頻部分。

圖10 傳統和新型能饋系統直流母線電壓仿真波形Fig.10 Simulation results of DC bus voltage in proposed and traditional energy feedback system

圖11 傳統和新型能饋系統牽引變電站功率仿真波形Fig.11 Simulation results of traction substation power in proposed and traditional energy feedbacksystem

圖12 H-ESS功率分配仿真波形Fig.12 Simulation results of H-ESS power distribution

圖13是自適應系數低通濾波和傳統低通濾波策略下超級電容SOC和電池功率波形。傳統策略下，超級電容SOC過早達到極限值，使得部分高頻功率被電池所吸收，而自適應系數的低通濾波策略很好地解決了這一問題。

圖13 自適應系數LPF和傳統LPF超級電容SOC、電池功率仿真波形Fig.13 Simulation results of SOCsc and Pbat in LPF with and without adaptive coefficient

圖14是SOC閉環PI控制方法下兩模塊電池SOC波形。兩模塊SOC初始值設置為0.8和1，SOC參考值為0.95，仿真中SOC在50個列車運行周期內實現了SOC的復位。

圖14 SOC閉環PI控制下兩模塊電池SOC仿真波形Fig.14 Simulation results of two module’s SOCbat in SOC PI control

4 實驗結果

為進一步驗證本文提出的新型城軌交通電網架構以及控制和能量管理策略，搭建了小功率樣機進行實驗驗證，實驗平臺如圖15。

圖15 實驗平臺Fig.15 Experimental platform

實驗中采用恒功率控制的DAB變換器模擬恒功率運行的列車，采用36 V電源、二極管、電阻對牽引變電站進行模擬。兩個TAB模塊并聯在牽引直流母線側，其余端口接入由超級電容和蓄電池組成混合儲能裝置。

實驗參數如表2，列車峰值功率以及運行周期依圖6分別等比例縮小為200 W和10 s。

表2 實驗參數

圖16是牽引變電站電流和牽引負載電流實驗波形，牽引變電站的電流峰值僅為列車負載的一半。

圖16 牽引變電站電流和牽引負載電流實驗波形Fig.16 Experimental results of traction substation current and traction load current

圖17是傳統和新型能饋系統牽引直流母線電壓實驗波形，傳統系統母線電壓在25～40 V之間，新型系統僅在28～37 V之間，可見新型系統能夠大幅減小直流母線電壓波動。

圖17 傳統和新型架構母線電壓實驗波形Fig.17 Experimental results of traction substation current and traction load current

圖18是H-ESS的功率分配實驗波形，在下垂控制和低通濾波算法作用下，模塊間電流波形完全一致，超級電容吸收高頻功率，電池吸收低頻功率。

圖18 H-ESS模塊功率分配實驗波形Fig.18 Experimental results of H-ESS power distribution

圖19是自適應系數低通濾波和普通低通濾波策略下兩模塊超級電容SOC、電池功率的實驗波形。模塊1采用了自適應系數的低通濾波算法，模塊2采用傳統低通濾波策略。模塊2中超級電容SOC較早達到極限值，使電池吸收高頻功率導致功率突變。模塊1超級電容SOC沒有出現到限的情況，電池的功率始終較為平滑，驗證了自適應系數策略的有效性。

圖19 自適應系數LPF和傳統LPF超級電容SOC、電池功率實驗波形Fig.19 Experimental results of SOCsc and Pbat in LPF with and without adaptive coefficient

圖20是SOC閉環PI控制下兩模塊SOC實驗波形。兩模塊SOC分別設置0.95和0.85的起始值，起始時刻沒有加入SOC控制算法，電池SOC保持基本不變。1.5 min時刻加入SOC閉環控制算法，SOC參考值為0.9，兩模塊SOC很快達到了均衡。4 min時刻SOC參考值設為0.86， SOC在3分鐘內達到了新的參考值，驗證了控制算法的有效性。

圖20 SOC閉環PI控制兩模塊電池SOC實驗波形Fig.20 Experimental results of two module’s SOCbat in SOC PI control

5 結 論

本文針對傳統地鐵能饋系統中存在的問題，提出了一種基于直流微網技術的新型地鐵能饋系統方案。所提出的新型能饋系統能夠吸收列車剎車回饋的全部能量，減小牽引網直流母線電壓波動，降低牽引變電站峰值功率，并充分整合站內UPS設備。新型能饋系統采用基于直流母線電壓信號的改進下垂控制，實現了牽引網電壓的有效控制以及系統源荷儲之間功率的合理分配，通過對SOC的PI閉環控制，實現了電池SOC的復位，并能夠均衡模塊間電池的SOC，使得電池對低頻功率的平滑優勢得到充分發揮，保障UPS應急功能不受影響，提高了系統的可用性和可靠性。最后通過仿真和實驗結果驗證了本文所提新型能饋系統及其控制方法和能量管理策略的有效性和可行性，為實際工程應用打下了基礎。另外，該系統使得牽引網和動力照明網能夠互為備用，進一步提高系統可靠性。同時所提系統還具有在分布式光伏、電動汽車、電網調度、能源高效互聯等領域的應用前景，未來可對這些特性作進一步的研究。