地面式鋰電池儲能系統(tǒng)抑制牽引網壓波動研究

王越，秦斌

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

城軌交通具有快速、安全、準時、運力大、舒適穩(wěn)定和環(huán)保等諸多優(yōu)點，在大中型城市中作為公共交通得到了廣泛的應用。 隨著新能源的快速發(fā)展，在城軌領域軌道交通環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點已越來越受到人們的重視[1-2]。

在城市軌道交通系統(tǒng)中，當列車處于再生制動時，牽引電機相當于發(fā)電機，再生制動能量通過逆變裝置饋送到直流牽引網。在此再生能量中，其中一部分由本列車的輔助照明系統(tǒng)吸收利用，還有部分能量由此線路上的其他列車吸收利用，當其沒有被完全吸收并且產生大量過剩制動能量時，這部分能量將導致牽引網電壓上升，當超過電壓最高允許值時，再生制動失效，甚至損壞線網上電力設備。近年來，就再生制動能源的收集方面，中國大多數(shù)城市軌道交通系統(tǒng)使用車載電阻裝置，將此部分能量以熱能的形式消耗來降低網壓。由于制動電阻體積大和隧道的散熱，隧道溫度會上升。采用此方法需要列車設置專門安放電阻器的場所，隧道中需要通風和散熱設備，從而增加列車重量和運行成本，同時導致了能源的浪費并且降低了能源利用率。據(jù)統(tǒng)計，列車制動時產生的電能大約占列車牽引輸入能量的30%左右[3]，僅有20%～80%的制動能量能夠得到利用[4]。因此，再生制動能量非?？捎^，若用儲能裝置對此部分制動能量回收并利用，不但能降低網壓，還能將起到顯著的節(jié)能作用。

目前，已有諸多城市線路在地面設置了地面式儲能裝置，從而取消車載制動電阻，提高了車輛性能、改善了隧道環(huán)境并降低了車輛成本[5]?，F(xiàn)階段，城市軌道交通地面式能量回收裝置主要為電池、飛輪與超級電容。其中鋰離子電池在最近幾年發(fā)展快速，其同時具備大容量和大功率的優(yōu)點，滿足軌道交通的能量要求。此外，與鉛酸蓄電池、超級電容相比，鋰離子電池可以實現(xiàn)裝置小型化、輕量化，并且同時具備充放電快、使用壽命長的優(yōu)點。所以，本文選擇鋰離子電池作為儲能裝置[6]。

本文以DC1500 V的城軌牽引直流供電系統(tǒng)為研究對象，分析鋰電池的結構和充放電控制策略。通過搭建城軌交通牽引系統(tǒng)仿真平臺，驗證鋰電池儲能系統(tǒng)可以有效防止城市軌道交通牽引、制動網壓的波動和再生失效問題。

1 牽引供電系統(tǒng)分析

1.1 城軌地面式電池儲能牽引供電模型

城市軌道地面電池能量儲存系統(tǒng)包括牽引變電所、直流牽引網、電池儲能系統(tǒng)和列車。直流牽引網絡主要包括上下行接觸網/第三軌，上下導軌和導線，其整體結構如圖1所示。首先牽引變電所將10 kV/35 kV的三相交流電整流至750 V/1500 V的低壓直流電，上下行列車通過受電弓在接觸網上獲取能量。列車是城軌交通供電系統(tǒng)的主要負載，其能量流動具有雙向性，牽引時消耗能量，制動時通過再生制動向牽引網反饋能量。電池儲能系統(tǒng)安裝在牽引變電所中并與直流電網并聯(lián)連接，以通過DC/DC變換器控制直流電網與儲能系統(tǒng)之間的相互能量傳遞。

1.2 牽引變電所特性

城軌交通牽引系統(tǒng)從10 kV/35 kV城市電網中獲得交流電，通過牽引變電所降壓變壓器和二極管整流器將電壓降至750 V/1500 V的直流電。為了降低直流側電壓紋波、減少交流側諧波污染、提高功率因數(shù)，城軌交通牽引系統(tǒng)大多采用12脈波或24脈波整流器單元，24脈波整流機組由兩臺并聯(lián)的12脈波整流單元組成，通過降壓變壓器移相+7.5°與-7.5°所得。在分析時，可將24脈波整流機組當做2個獨立的12脈波整流器單元單獨進行分析，從下式可得[7]

式中：Udc為整流單元輸出電壓；Idc為整流單元輸出電流；Ig為臨界電流；Udoo、Udio分別為整流單元兩個區(qū)間的空載電壓；Req1為等效串聯(lián)電阻。

2 鋰電池儲能系統(tǒng)

2.1 鋰電池組模型

由于城軌交通列車制動過程具有功率變化快和頻繁制動的特點，本文中城市軌道交通地面式鋰電池儲能系統(tǒng)所使用的電池是鈦酸鋰離子電池。經典的電池模型為Rint模型，該電路模型建立在電池內部電動勢和電阻的基礎上，其結構簡單，為其他電池建模的依據(jù)。本文采用改進的電池模型，改進后的電池模型由內阻和受控電壓源組成，如圖2所示。

圖2 電池等效模型Fig. 2 Battery equivalent model

圖2中，E為受控電壓源，Rbs為串聯(lián)內阻，ibat為電池輸出電流，Ubat為電池輸出電壓。鋰電池的輸出電壓為：

圖1 城軌地面式電池儲能系統(tǒng)的整體結構Fig. 1 The overall structure of the urban rail ground battery energy storage system

2.2 雙向DC/DC變換器

儲能系統(tǒng)拓撲結構如圖3所示，其中雙向DC/ DC變換器由IGBT1與IGBT2構成，用于控制儲能系統(tǒng)的充放電，其作用是執(zhí)行系統(tǒng)的電壓等級變換和對儲能系統(tǒng)的能量流動實行管理。IGBT0是對電池儲能系統(tǒng)的開通與關閉進行控制，在備用狀態(tài)下作為儲能裝置的總開關，主要為了防止電池組本身不受控自主的向直流牽引網放電；為了降低由開關器件產生的諧波，將L1和C組成低通濾波電路。該結構的優(yōu)點為：控制電路簡單，效率高且成本低。

圖3 儲能系統(tǒng)拓撲結構Fig. 3 Energy storage system topology

如圖4中所示，根據(jù)儲能裝置運行狀態(tài)的不同，DC/ DC變換器可分別工作在Buck、Boost2種模式[8]。

如圖4(a)所示，當DC/DC處于Buck模式時，其主要功能是降低輸出電壓，列車處于再生制動狀態(tài)，再生能量將使直流牽引網電壓急劇上升，DC/ DC變換器處 Buck模式，并且IGBT1接通，當IGBT2斷開時，斬波電感器L吸收車輛制動回饋的再生能量，然后IGBT1關斷，通過IGBT2的續(xù)流二極管，將儲存在斬波電感器L中的再生能量傳遞給鋰電池充電[9]。

如圖4(b)所示，當變換器處于Boost模式時，其主要功能是升高輸出電壓，列車處于啟動加速狀態(tài)，將引起牽引網絡電壓下降，DC/ DC變換器處于Boost模式，并且開通IGBT2，斷開IGBT1，鋰電池組釋放能量并儲存在斬波電感L中，然后IGBT2關斷，通過IGBT1的續(xù)流二極管，將儲存在斬波電感L中的能量傳遞給牽引直流供電網[10]。

圖4 DC/DC充放電原理圖Fig. 4 DC / DC charge and discharge schematic

3 鋰電池儲能裝置控制策略

當列車處于啟動加速工況時，由于列車啟動電流i較大，從而引起線路產生較大的電壓降，導致牽引網壓嚴重下降；當列車惰行時，不會引起電壓波動，其基本保持在一個變電所的空載電壓；當列車處于制動減速狀態(tài)時，此時電機相當于發(fā)電機，直流側電壓方向不變，電流反向，逆變器將再生制動能量發(fā)送回直流電網，使牽引網壓迅速上升，如果不進行控制，當網壓超過其允許的最大電壓時，從而使列車發(fā)生再生失效問題。因此，可以將牽引網壓作為儲能系統(tǒng)的控制信號。此外，為了確保儲能系統(tǒng)的正常運行，鋰電池組本身具有電壓和電流限制：即鋰電池組的端電壓必須控制在最大允許值和最小允許值之間，若超出范圍，鋰電池組將停止工作，同時鋰電池組的充放電電流同樣應在額定范圍內工作，從而產生PWM信號來控制雙向DC/ DC變換器中IGBT的導通與關斷，實現(xiàn)儲能裝置的充放電。鋰電池儲能充放電控制策略框圖如圖5所示。

圖5 鋰電池儲能充放電控制策略框圖Fig. 5 Block diagram of lithium battery energy storage and discharge control strategy

（1）當列車工作于啟動加速工況時，此時直流網電壓Udc低于放電參考電壓U*discharge，儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。將Udc與U*discharge的差值經PI調節(jié)器經限幅后得到鋰電池的電流參考值I*bat，將鋰電池反饋的當前電流值Ibat與電流參考值I*bat的差值送入PI調節(jié)器，得到的信號與三角波比較，將得到的控制信號傳送給IGBT2，此時將以一定的占空比導通，并與IGBT1的反并聯(lián)二極管構成通路，鋰電池組的儲存能量被釋放到牽引網以供列車使用。

（2）當列車工作于制動減速工況時，此時直流網電壓Udc高于充電參考電壓U*charge，儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)。與放電過程類似，將Udc與U*charge的差值經PI調節(jié)器通過限幅后得到鋰電池的電流參考值I*bat，將鋰電池反饋的當前電流值Ibat與電流參考值I*bat的差值送入PI調節(jié)器，得到的信號與三角波比較，將得到的信號傳動給IGBT1，此時將以一定的占空比導通，并與IGBT2的反并聯(lián)二極管構成通路，控制制動能量給鋰電池組充電。

（3）當直流牽引網電壓Udc介于充電電壓參考值和放電電壓參考值之間時，同時關閉IGBT0、IGBT1、IGBT2，鋰電池組工作于備用狀態(tài)。

4 仿真分析

為了驗證地面式鋰電池儲能系統(tǒng)抑制牽引網電壓波動，采用MATLAB/ SIMLINK平臺構建鋰電池儲能系統(tǒng)的單變電所、單列車仿真平臺。

4.1 仿真結構圖

城軌鋰離子儲能仿真主電路系統(tǒng)結構如圖6所示，仿真系統(tǒng)由三部分組成，其中變電所直流供電系統(tǒng)由三相交流電源和三相整流橋模擬；牽引直流網線路參數(shù)取：R=0.08 Ω，L=2 mH；該電路的后端包含一個逆變器和一個永磁同步電機，通過不同的電機運行狀態(tài)來模擬列車牽引、惰行、制動運行工況。最后將鋰電池組裝置并聯(lián)在牽引網直流端。

圖6 主電路系統(tǒng)結構圖Fig. 6 Main circuit system structure

4.2 仿真參數(shù)

鋰離子電池參數(shù)為：額定容量160Ah，額定電壓692V，工作電流-250～+250A。雙向DC/DC變換器參數(shù)為：儲能電感7.5mH，濾波電容30000μF。IGBT開關頻率10kHz；直流牽引網標準供電電壓1500V。永磁同步電機參數(shù)為：定子電阻0.25Ω；d，q軸電感Ld=1.5mH，Lq=1.5mH；轉動慣量J=1.5kg?m2；給定轉速ω=1000r/min。

4.3 仿真結果

根據(jù)本文中提出的地面式儲能系統(tǒng)抑制牽引網壓波動的目標來進行仿真，驗證儲能系統(tǒng)充放電控制策略的有效性。通過模擬列車啟動加速、惰行和制動減速過程中永磁同步電機轉速變化來反映列車行駛工況，如圖7所示。列車從0 s時刻開始啟動加速，到0.4 s左右時達到給定轉速進入惰行工況，持續(xù)一段時間后列車2 s時刻開始進入制動減速工況，直至轉速下降為零，列車停車。

圖7 電機轉速變化圖Fig. 7 Motor speed change diagram

當牽引直流網未接入鋰電池組時，牽引網電壓仿真結果如圖8所示。由圖8可以看出，在列車啟動加速過程中直流網壓跌落至1090 V左右，在列車制動減速過程中升高到1710 V左右，相比直流牽引網標準供電電壓1500 V，網壓波動比較大，且在此階段中制動能量并未得到有效回收利用。

圖8 直流牽引網電壓波動圖Fig. 8 DC traction network voltage fluctuation diagram

4.3.1 啟動加速工況

當列車的牽引系統(tǒng)接入地面式鋰電池儲能系統(tǒng)時，列車從第0 s時刻開始進入啟動加速工況，鋰電池儲能系統(tǒng)向直流網釋放能量，使直流網電壓下降至1250 V以下，使直流網電壓保持在安全電壓以內，防止網壓過低而損壞電氣設備。啟動加速過程中直流牽引網壓如圖9所示，電壓下降至1290 V后趨于平穩(wěn)，漸漸跌落至最低電壓1270 V左右，滿足電壓的最小允許值。

圖9 啟動加速中直流網壓Fig. 9 DC network pressure during starting acceleration

4.3.2 再生制動工況

列車從第2 s時刻開始進入制動減速工況，產生制動能量向直流網輸送，儲能系統(tǒng)吸收直流網上多余的再生能量，并將直流網壓控制在1800 V以內。制動減速中直流網壓如圖10所示。當列車開始制動時，直流牽引網絡電壓上升到1620 V然后逐漸回落，并保持在1600 V以下，最后穩(wěn)定在1500 V以上。滿足電壓最大允許值的同時，有效的將能量回收利用。

圖10 制動減速中直流網壓Fig. 10 DC network pressure during braking deceleration

5 結論

本文通過對城市軌道交通地面式鋰離子電池儲能系統(tǒng)的牽引供電模型進行分析，對提出的儲能系統(tǒng)充放電控制策略進行了仿真研究，一方面驗證了其可行性。另一方面，驗證了鋰離子電池儲能系統(tǒng)在抑制直流牽引網的電壓波動和提高軌道交通中供電網絡的穩(wěn)定性和能量利用方面起著重要作用。目前仿真還停留在基于單變電所，單儲能系統(tǒng)，單列車為例，做了初步討論，在以后的研究中，還將充分考慮多變電所，多儲能系統(tǒng)，多列同時車運行時制動能量交互問題，在穩(wěn)定電壓的同時提高能量利用率。