城市軌道交通超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置控制策略

葉蘭蘭, 鄒 凱, 宋 立

(武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司, 武漢 430030)

城市軌道交通超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置控制策略

葉蘭蘭, 鄒 凱, 宋 立

(武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司, 武漢 430030)

以城市軌道交通地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置為背景，針對(duì)空載電壓波動(dòng)下的儲(chǔ)能裝置閾值選擇問(wèn)題進(jìn)行探討，首先分析城軌供電系統(tǒng)中空載電壓波動(dòng)對(duì)再生能量回收的影響:1) 更改儲(chǔ)能裝置放電電壓指令，可以改變儲(chǔ)能裝置和整流機(jī)組能量輸出的功率比例；2) 傳統(tǒng)恒定閾值放電策略將放電指令與放電閾值固定，因此儲(chǔ)能裝置放電時(shí)不能做到對(duì)放電功率的控制；3) 采用固定閾值放電策略時(shí)，空載電壓值的變化會(huì)影響儲(chǔ)能裝置放電輸出能量的大小。然后提出充放電閾值動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于不同的空載電壓，改進(jìn)后的控制策略可以根據(jù)空載電壓放電指令進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使儲(chǔ)能裝置與整流機(jī)組的能量輸出比例恒定，從而維持放電時(shí)放出的能量不隨空載電壓的波動(dòng)而變化。

城市軌道交通； 超級(jí)電容； 供電系統(tǒng)； 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(yùn)量大、安全準(zhǔn)時(shí)的特點(diǎn)，在世界各國(guó)的公共交通中都占有重要地位。采用交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的車(chē)輛也得到了廣泛應(yīng)用，城軌交通系統(tǒng)向著更加綠色節(jié)能的方向發(fā)展。城軌交通節(jié)能主要通過(guò)兩個(gè)方面進(jìn)行：一方面是通過(guò)提高供電系統(tǒng)及負(fù)載的效率減少損耗；另一方面是充分利用再生制動(dòng)降低變電所的輸出。再生制動(dòng)技術(shù)可以將列車(chē)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能反饋回牽引網(wǎng)，既可以減少機(jī)械制動(dòng)時(shí)閘瓦的磨損，又可以回收制動(dòng)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(dòng)可以反饋消耗能量的30%～40%，但是由于現(xiàn)階段牽引變電所二極管整流的單向性和列車(chē)對(duì)再生電流的限制，導(dǎo)致再生制動(dòng)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(chǔ)能裝置的城軌供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of urban rail power supply system with energy storage device

近些年出現(xiàn)的再生制動(dòng)能量回收方式主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是逆變回饋式，另一類(lèi)是儲(chǔ)能式。逆變回饋方式主要是將再生制動(dòng)能量通過(guò)逆變器從直流牽引網(wǎng)回饋至交流電網(wǎng)；儲(chǔ)能方式是將再生制動(dòng)能量暫時(shí)儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置內(nèi)，在列車(chē)牽引時(shí)放出以達(dá)到能量循環(huán)利用的目的。根據(jù)能量回收裝置儲(chǔ)能元件的不同，可以分為電池型、超級(jí)電容型、飛輪儲(chǔ)能型、鋰電容儲(chǔ)能型等。與逆變回饋方式相比，儲(chǔ)能方式雖然有裝置體積大、造價(jià)較高的缺點(diǎn)，但是也因?yàn)槠洳慌c交流電網(wǎng)相連接，有不受電網(wǎng)容量諧波要求限制的優(yōu)點(diǎn)。與其他儲(chǔ)能元件相比，超級(jí)電容有功率密度高、動(dòng)態(tài)性能好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。作為緩沖裝置，它在能量回收、功率補(bǔ)償?shù)确矫嬗袕V泛的應(yīng)用，其作為城軌交通再生制動(dòng)能量回收方案的一種也受到了廣泛關(guān)注。研究人員針對(duì)儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、控制策略、容量配置與安裝位置選擇等進(jìn)行了廣泛研究，提出了雙向DC/DC變流器加超級(jí)電容模組的基本結(jié)構(gòu)，電壓電流雙閉環(huán)、三閉環(huán)等控制策略，基于城軌供電計(jì)算的容量配置方法等[5-8]。

在實(shí)際工程中，通常以牽引網(wǎng)電壓作為裝置充放電狀態(tài)切換的依據(jù)，狀態(tài)切換閾值的不同會(huì)對(duì)裝置能量回收效果帶來(lái)影響。本文分析了城軌供電系統(tǒng)中空載電壓波動(dòng)對(duì)再生能量回收的影響，并提出充放電閾值動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 供電系統(tǒng)特性與儲(chǔ)能裝置工作原理

2.1供電系統(tǒng)特性

配置超級(jí)電容儲(chǔ)能的城軌牽引供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)由牽引變電所、牽引網(wǎng)、城軌列車(chē)、超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置(ESS)等組成[9-11]。牽引變電所是城軌列車(chē)牽引的主要能量來(lái)源，其能量只能從交流電網(wǎng)流向直流牽引網(wǎng)。列車(chē)作為城軌系統(tǒng)的主要負(fù)載，其能量流動(dòng)呈現(xiàn)雙向特性，即牽引時(shí)消耗能量，再生制動(dòng)時(shí)向牽引網(wǎng)反饋能量。地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置通常放置于牽引變電所內(nèi)的高壓側(cè)輸出端并接在變電所直流母線上，為保持城軌供電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，儲(chǔ)能裝置根據(jù)牽引供電系統(tǒng)功率流動(dòng)狀況進(jìn)行充放電動(dòng)作。

2.2超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

對(duì)于結(jié)構(gòu)如圖2所示的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能元件，用于儲(chǔ)存剩余再生制動(dòng)能量；雙向DC/DC變流器作為超級(jí)電容與供電網(wǎng)之間的接口，為超級(jí)電容充放電，以保證直流牽引網(wǎng)的功率平衡，維持網(wǎng)壓穩(wěn)定。

圖2 地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jí)電容相連。當(dāng)變流器上管S1動(dòng)作時(shí)，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(shí)，較高的母線電壓向較低的電池電壓變換)，從牽引網(wǎng)吸收能量為超級(jí)電容充電。當(dāng)變流器下管S2動(dòng)作時(shí)，其工作在升壓狀態(tài)，此時(shí)超級(jí)電容放電。雙向DC/DC變流器通過(guò)檢測(cè)變電所輸出電壓，判斷儲(chǔ)能裝置的工作狀態(tài)。當(dāng)變電所輸出電壓高于充電閾值Uchar時(shí)，儲(chǔ)能裝置切換至充電狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整充電功率，維持電壓在直流電壓Udc附近；當(dāng)變電所輸出電壓低于放電閾值Udischar時(shí)，儲(chǔ)能裝置放電，維持在Udichar附近；當(dāng)牽引網(wǎng)電壓在充放電閾值之間時(shí)，儲(chǔ)能裝置待機(jī)(見(jiàn)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(chǔ)能裝置充放電策略Fig.4 Charging and discharging strategy of energy storage device

根據(jù)儲(chǔ)能裝置控制策略和自身特性，對(duì)其外特性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述如下[9-11]：

(1)

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

3 空載電壓波動(dòng)對(duì)再生能量回收的影響

根據(jù)IEC60146—1—1—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，10 kV交流電網(wǎng)電壓的偏差范圍為±7%，35 kV交流電網(wǎng)的電壓偏差為±10%。整流變壓器副邊輸出會(huì)隨電網(wǎng)電壓而波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)值δ=7%時(shí)，直流側(cè)空載輸出電壓為880 V；當(dāng)波動(dòng)值δ=-7%，直流側(cè)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(shè)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(shí)放電閾值Udischar=0.89Ud1。整流機(jī)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(yuǎn)離空載電壓，整流機(jī)組放出的功率增大。圖6為實(shí)際變電所輸出電流隨時(shí)間變化的曲線，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著放電閾值的下降及整流機(jī)組輸出電流(輸出功率)的提升，儲(chǔ)能裝置放電功率和時(shí)間均會(huì)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(chǔ)能裝置出力比例和放電時(shí)間均將增加，超級(jí)電容放電深度變大。

圖5 整流機(jī)組功率與放電閾值關(guān)系Fig.5 Relationship between discharge power and discharge threshold of rectifier unit

圖6 實(shí)際變電所電流Fig.6 Substation current

超級(jí)電容的放電深度變化在一定程度上影響儲(chǔ)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(guò)大兩個(gè)方面進(jìn)行分析。如果裝置放電深度不足，將會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容剩余容量不足以?xún)?chǔ)存再生能量，這種情況的發(fā)生會(huì)明顯降低再生能量的吸收效果；而如果裝置放電深度過(guò)大，由于電容的最低電壓限制，雖然不會(huì)將其能量全部放出，但會(huì)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(huì)增大其工作電流，使其效率降低，其次由于電容最大持續(xù)電流的限制，會(huì)令儲(chǔ)能裝置最大充放電功率降低。若吸收功率不滿(mǎn)足再生制動(dòng)的需求，會(huì)使得再生制動(dòng)失效。因此，面對(duì)空載電壓波動(dòng)，如何減少其影響并通過(guò)對(duì)放電功率能量的合理控制來(lái)調(diào)整裝置放電深度成為控制策略?xún)?yōu)化的重要部分。

4 充放電閾值動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略

本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整的控制策略，如圖7所示。該控制策略不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空載電壓的實(shí)時(shí)跟蹤，還能夠根據(jù)變電所空載電壓的變化及線路阻抗進(jìn)行充電閾值的實(shí)時(shí)變化，并能夠?qū)?chǔ)能裝置的出力進(jìn)行控制，達(dá)到裝置充放電能量平衡的效果。

圖7 動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略Fig.7 Dynamic adjustment control strategy

控制器對(duì)10 kV電壓進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)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(jié)合變電所等效內(nèi)阻Req1、Req2可以確定變電所輸出特性，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的Pthreshold及出力系數(shù)α進(jìn)行放電閾值的計(jì)算，見(jiàn)式2。

Udischar=

(2)

其中，出力系數(shù)α，即儲(chǔ)能裝置輸出電流比例α，為儲(chǔ)能裝置輸出電流占總負(fù)載電流的比例；Udischar為儲(chǔ)能裝置的放電閾值；Udischar0為儲(chǔ)能裝置空載的放電閾值，由Pthreshold確定；IESS為儲(chǔ)能裝置電流；Req為儲(chǔ)能裝置等效電阻；Ud為變電所電壓。當(dāng)變電所空載電壓確定時(shí)，變電所輸出特性將被確定，其輸出電壓是輸出功率的函數(shù)。當(dāng)負(fù)載功率Pload大于Pthreshold時(shí)，儲(chǔ)能裝置啟動(dòng)，隨著負(fù)載功率的上升，裝置出力系數(shù)持續(xù)上升，當(dāng)裝置出力系數(shù)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，進(jìn)入恒出力系數(shù)控制模式，裝置保持出力系數(shù)不變。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中變電所空載電壓約為870 V，圖8為相同放電閾值840 V時(shí)不同充電閾值下儲(chǔ)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(guò)高，接近車(chē)輛制動(dòng)電阻的啟動(dòng)值，制動(dòng)能量全被制動(dòng)電阻吸收，裝置不能正常充電，超級(jí)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(duì)(b)(c)兩次實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)充電閾值接近空載電壓時(shí)，儲(chǔ)能裝置充電頻率和深度都有所提升，但(b)情況并未產(chǎn)生再生失效，說(shuō)明再生制動(dòng)能量被相鄰列車(chē)吸收，而(c)情況下有更少的再生能量被鄰車(chē)吸收。相比之下，(c)工況下儲(chǔ)能裝置不僅妨礙了再生能量被鄰車(chē)吸收，還加重了儲(chǔ)能裝置的負(fù)荷。

圖8 不同充電閾值下儲(chǔ)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(diào)整放電閾值儲(chǔ)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(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較可以看出，隨著放電閾值的降低，儲(chǔ)能裝置放電時(shí)間與放電深度均變小，(b)(c)兩次實(shí)驗(yàn)中均出現(xiàn)了釋能不充分導(dǎo)致儲(chǔ)能裝置SOC(state of charge，荷電狀態(tài))飽和而不能充電的情況，并且隨著放電閾值的降低，此現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

圖9 相同充電閾值條件下調(diào)整放電閾值儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)結(jié)果看，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和正常充放電控制良好，已經(jīng)可以穩(wěn)定、可持續(xù)、自動(dòng)地充放能量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能穩(wěn)壓效果。

變電所空載電壓存在波動(dòng)，日間與夜間波動(dòng)較大；且變電所電壓波動(dòng)頻率與列車(chē)發(fā)車(chē)間隔密切相關(guān)(即隨時(shí)間變化)，所以，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置必須設(shè)計(jì)更為智能的程序，可以實(shí)時(shí)識(shí)別變電所電壓特性(控制電壓和波動(dòng)頻率)，并選擇最好的控制閾值進(jìn)行充放電，提高節(jié)能率。

6 結(jié)論

本文首先分析了城軌供電系統(tǒng)中空載電壓波動(dòng)對(duì)再生能量回收的影響：1) 更改儲(chǔ)能裝置放電電壓指令，可以改變儲(chǔ)能裝置和整流機(jī)組能量輸出的功率比例；2) 傳統(tǒng)恒定閾值放電策略將放電指令與放電閾值固定，因此儲(chǔ)能裝置放電時(shí)不能做到對(duì)放電功率的控制；3) 采用固定閾值放電策略時(shí)，空載電壓值的變化會(huì)影響儲(chǔ)能裝置放電輸出能量的大小。接著提出了充放電閾值動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，對(duì)于不同的空載電壓，改進(jìn)后的控制策略可以根據(jù)空載電壓放電指令的動(dòng)態(tài)調(diào)整，使儲(chǔ)能裝置與整流機(jī)組的能量輸出比例恒定，從而維持放電時(shí)放出的能量不隨空載電壓波動(dòng)而變化，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jié)能方面的研究，siyuxinlun@126.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0118-05

(編輯：王艷菊)