考慮光儲(chǔ)的軌道交通車輛段微網(wǎng)控制策略研究

余剛

（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100036）

城市軌道交通是世界公認(rèn)耗能低、污染少、快捷、便利、安全的交通運(yùn)輸工具，許多城市逐漸建立了以地鐵為主，多種軌道交通為輔的城市新一代軌道交通系統(tǒng)[1]。在中國(guó)制造概念的極大推動(dòng)下，提出構(gòu)建技術(shù)創(chuàng)新、質(zhì)量過關(guān)、綠色環(huán)保的先進(jìn)軌道交通裝備，于是軌道交通行業(yè)成為國(guó)內(nèi)尖端制造技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)最激烈、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)水平最高的領(lǐng)域之一。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，節(jié)能、智能化是軌道交通當(dāng)今發(fā)展的重要趨勢(shì)[2]。

牽引供電系統(tǒng)是軌道交通系統(tǒng)的主要能耗點(diǎn)，而我國(guó)很多地區(qū)都具有光伏發(fā)電的天然條件，適合設(shè)置獨(dú)立光儲(chǔ)微電網(wǎng)解決軌道交通車輛段的牽引供電問題。相比于交流微網(wǎng)來說，直流微網(wǎng)不存在頻率跟蹤、無(wú)功波動(dòng)的問題，提高了系統(tǒng)電能質(zhì)量與穩(wěn)定性[3-4]。將光儲(chǔ)接入軌道交通車輛段形成直流微網(wǎng)后，直流母線作為車輛段微網(wǎng)的能量交換中心，列車負(fù)載及光伏輸出的變化都有可能令其電壓產(chǎn)生一定的波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行造成影響。關(guān)于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的直流母線穩(wěn)壓控制問題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者已經(jīng)取得了部分成果。文獻(xiàn)[5]研究了微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將儲(chǔ)能補(bǔ)償和負(fù)荷控制用于應(yīng)對(duì)天氣引起的光伏陣列輸出波動(dòng)，從而保證微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定。針對(duì)固定下垂系數(shù)的下垂控制無(wú)法應(yīng)用于低壓微網(wǎng)的問題，文獻(xiàn)[6-8]令固定的下垂控制系數(shù)自適應(yīng)變化對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并且通過仿真驗(yàn)證了可變下垂系數(shù)的可行性。文獻(xiàn)[9-11]構(gòu)建了在含分布式電源的微網(wǎng)中加入電動(dòng)汽車，并研究了在微網(wǎng)中接入電動(dòng)汽車對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行控制存在的影響。

以獨(dú)立運(yùn)行的軌道交通車輛段微網(wǎng)為研究對(duì)象，提出針對(duì)列車負(fù)載波動(dòng)及光伏波動(dòng)的穩(wěn)壓控制策略，光伏采用功率控制型改進(jìn)擾動(dòng)觀察法，儲(chǔ)能采用具有SOC 影響因子的電壓閉環(huán)控制，具有切換因子的電壓閉環(huán)控制、功率環(huán)控制，逆變器采用雙閉環(huán)控制。通過分別模擬列車負(fù)荷和光伏輸出變化時(shí)的系統(tǒng)情況，驗(yàn)證了與雙閉環(huán)控制相比，直流母線電壓指標(biāo)能夠更好地滿足抑制直流母線電壓波動(dòng)、提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的要求。

1 車輛段光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)軌道交通車輛段的光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)，所提出的微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中接入650 V 直流母線的端口包括列車負(fù)荷、蓄電池、超級(jí)電容、光伏；列車負(fù)荷與直流母線通過三相逆變器電路連接；光伏模塊及混合儲(chǔ)能分別通過Boost 變換器與雙向Buck/Boost 電路接入直流母線。

由于獨(dú)立的車輛段光儲(chǔ)微電網(wǎng)缺乏大電網(wǎng)的支撐，在光伏陣列瞬時(shí)功率發(fā)生較大的波動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)直流母線電壓產(chǎn)生一定的影響。僅僅依靠對(duì)光伏陣列Boost 變換器進(jìn)行控制無(wú)法保障母線電壓的穩(wěn)定，因此將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)接入車輛段中，為光伏逆變器提供穩(wěn)定的電壓，維持車輛段微網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡。

在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，蓄電池與超級(jí)電容器的特性不同。蓄電池能量密度高，但功率密度低，因此其容量較大，可存儲(chǔ)較多能量，瞬時(shí)功率流動(dòng)小，不適合瞬間吸收或釋放較大能量；而超級(jí)電容正好相反，能量密度低，功率密度高，可瞬時(shí)釋放或吸收較大能量，蓄電池和超級(jí)電容的接入提高了微網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。

2 車輛段微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略

該文基于穩(wěn)壓的目的提出軌道交通車輛段微網(wǎng)控制策略。針對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在電壓電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上引入SOC 影響因子KSOC，以達(dá)到功率流動(dòng)的平滑性，同時(shí)為了更好地調(diào)控儲(chǔ)能系統(tǒng)的突然切入與切出，引入切換因子KSWITCH；對(duì)于光伏系統(tǒng)，將輸出功率納入考慮，從而實(shí)現(xiàn)MPPT 及穩(wěn)壓控制；為了使其輸出符合電能質(zhì)量的要求，三相逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)的策略。

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方法

儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制是車輛段光儲(chǔ)微網(wǎng)中最為關(guān)鍵的一環(huán)，列車負(fù)荷高峰時(shí)充當(dāng)電源輸送功率，列車負(fù)荷低谷時(shí)儲(chǔ)存能量，維持母線電壓穩(wěn)定。

儲(chǔ)能系統(tǒng)采取最常用、最基本的雙閉環(huán)控制。在采集到直流側(cè)電壓值后，將其和標(biāo)準(zhǔn)值比較后送入PI 控制器構(gòu)成電壓環(huán)；把電壓環(huán)得到的輸出與儲(chǔ)能電流值進(jìn)行比較再傳遞給PI 控制器構(gòu)成電流環(huán)，電流環(huán)輸出Vref信號(hào)傳給PWM 控制器產(chǎn)生儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制信號(hào)，控制方程如式（1）所示：

式中，Kp1與Ki2分別為雙閉環(huán)控制中電壓環(huán)的PI控制器參數(shù)；Kp2與Ki2分別為雙閉環(huán)控制中電流環(huán)的PI 控制器參數(shù)；Vdc_ref、Vdc分別表示直流母線上的電壓參考值以及實(shí)際測(cè)得直流母線的電壓值；Ibat為測(cè)得的蓄電池輸出電流值。

為了令功率流動(dòng)具有平滑性，在所述控制的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)儲(chǔ)能SOC 達(dá)到限值時(shí)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能端控制的開關(guān)進(jìn)入閉鎖狀態(tài)，某個(gè)儲(chǔ)能功率的突然消失，必然導(dǎo)致母線電壓的波動(dòng)，所以在儲(chǔ)能SOC 接近限值時(shí)，在電壓環(huán)的輸出端引入SOC 影響因子KSOC，在保證SOC 逐漸逼近正常工作限值時(shí)，控制儲(chǔ)能的功率流動(dòng)也慢慢減少。KSOC如式（2）所示，控制框圖見圖2。

式中，SOCL_risk、SOCH_risk為蓄電池SOC 上下危險(xiǎn)限值；SOCL_limit、SOCH_limit為蓄電池SOC 正常運(yùn)行限值。

由于該儲(chǔ)能系統(tǒng)包括了蓄電池和超級(jí)電容，因此它們之間的配合也需要過渡。儲(chǔ)能系統(tǒng)突然的切入或者切出均會(huì)引發(fā)母線電壓的波動(dòng)，所以必須對(duì)儲(chǔ)能突然切入與切出過程進(jìn)行調(diào)控。在狀態(tài)切換時(shí)，引入切換因子KSWITCH，公式如（3）所示，控制框圖如圖3所示。

式中，Kref為設(shè)定的PI 控制器增益值，t0為狀態(tài)切換時(shí)刻，t為當(dāng)前時(shí)刻，Δt為預(yù)先設(shè)定的切換時(shí)間間隔。

超級(jí)電容通常能夠在短時(shí)間提供較大功率，當(dāng)列車加速時(shí)，功率增長(zhǎng)可由超級(jí)電容消納，但由于電壓環(huán)中的PI 控制存在滯后，不能充分發(fā)揮其特性優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)于超級(jí)電容器，控制策略采用功率環(huán)控制。儲(chǔ)能控制策略框圖如圖4 所示。

功率控制利用微網(wǎng)控制層采集車輛段列車的功率，再除以超級(jí)電容當(dāng)前的電壓值之后獲得電流參考值，將其與超級(jí)電容的實(shí)測(cè)電流值進(jìn)行比較之后送入PI 控制器產(chǎn)生Vref，傳入PWM 發(fā)生器得到控制信號(hào)?？刂品匠倘缡剑?）所示：

式中，Kp3、Ki3為電流環(huán)PI 控制器參數(shù)，Usc為超級(jí)電容兩端電壓，Pref微網(wǎng)控制層采集列車的功率，Isc為實(shí)際測(cè)得的超級(jí)電容輸出電流。

2.2 光伏電池控制策略

由于光伏模塊在復(fù)雜環(huán)境中的輸出特性可能會(huì)存在多峰值的情況，而傳統(tǒng)的光伏陣列采用MPPT（最大功率跟蹤）控制來尋找光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)，但是這種控制方式只能依靠光強(qiáng)以及溫度輸出最大功率，不能主動(dòng)控制功率。當(dāng)光照充足，且儲(chǔ)能SOC 較高時(shí)，微網(wǎng)中的能量過多，既不希望過度浪費(fèi)光能，又希望對(duì)光伏功率輸出進(jìn)行限制以保證儲(chǔ)能控制運(yùn)行在正常狀態(tài)，所以提出一種改進(jìn)的考慮功率控制的策略，其流程圖如圖5 所示。該控制方法能根據(jù)不同工況條件在傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法和改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法之間切換。

當(dāng)接收到微網(wǎng)控制層功率限制的指令時(shí)，通過改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法迅速將輸出功率縮減至微網(wǎng)控制層下發(fā)的Pref。當(dāng)光伏輸出功率減小時(shí)，占空比增減操作與前一次一致，反之操作相反。其中光伏輸出功率與Pref相差較大時(shí)，占空比步長(zhǎng)Δd也會(huì)增大，以保證快速達(dá)到參考功率點(diǎn)。

2.3 逆變器控制策略

為了保證無(wú)論微網(wǎng)的列車負(fù)載如何變化，端口始終能夠輸出符合電能質(zhì)量要求的電壓，該文針對(duì)兩電平三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用電壓電流雙閉環(huán)控制。交流負(fù)載逆變器拓?fù)浜涂刂脐P(guān)系如圖6 所示，其中u2d、u2q和i2d、i2q分別是逆變器交流側(cè)基波電壓電流經(jīng)dq解耦后的分量，uo2d、uo2q與io2d、io2q分別為列車負(fù)荷輸出電壓以及電流的dq分量。

由基爾霍夫電壓定理和控制原理圖綜合可得，解耦后的u2d、u2q、i2d、i2q為：

式（5）和式（6）中，Kup、Kui和Kip、Kii分別為電壓外環(huán)、電壓內(nèi)環(huán)PI 控制器的比例積分控制系數(shù)。在電壓外環(huán)，將負(fù)載三相電壓的實(shí)際有效值和參考值進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，經(jīng)PI 控制器調(diào)節(jié)，得到瞬時(shí)有功電流與無(wú)功電流的參考值。在電流環(huán)中，將與反饋的相電流的瞬時(shí)值進(jìn)行比較，再經(jīng)過PI 控制器調(diào)節(jié)得到逆變器側(cè)輸出電壓參考值，最后送入SPWM 比較發(fā)生器中產(chǎn)生逆變器開關(guān)管的脈沖信號(hào)。

3 基于Simulink的仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證文中所提出的各個(gè)控制策略對(duì)軌道交通車輛段微網(wǎng)中直流母線電壓的穩(wěn)定性有顯著提升效果，在Matlab/Simulink 平臺(tái)中搭建了考慮光伏及混合儲(chǔ)能的獨(dú)立車輛段微網(wǎng)的仿真模型，分別對(duì)列車負(fù)載波動(dòng)和光伏發(fā)發(fā)生波動(dòng)的情況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)與分析。

設(shè)定仿真的時(shí)長(zhǎng)為1.5 s，參考傳遞函數(shù)與經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，先根據(jù)傳遞函數(shù)來確定控制參數(shù)的初值，然后根據(jù)控制參數(shù)的控制效果來進(jìn)行PI 參數(shù)的整定，得到車輛段微網(wǎng)系統(tǒng)各個(gè)仿真參數(shù)如表1所示。將直流母線的電壓設(shè)為650 V，逆變器輸出的額定功率設(shè)為7 500 W，并令輸出的交流電壓有效值為AC 220 V，設(shè)定光伏陣列處于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

表1 車輛段微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真參數(shù)

3.1 列車負(fù)載波動(dòng)下仿真結(jié)果

圖7 及圖8 為令光伏輸出功率不變，改變負(fù)載功率時(shí)的仿真波形。在仿真開始時(shí)列車負(fù)載的功率為6 kW，在0.6 s 時(shí)增加列車的負(fù)載，使得列車負(fù)載的功率增大為11 kW，仿真至1 s 時(shí)切出0.6 s 時(shí)刻增加的列車負(fù)荷，此時(shí)負(fù)荷的功率又降至6 kW。圖7 顯示了在雙閉環(huán)控制策略和所提出的穩(wěn)壓控制策略下的直流母線電壓、逆變輸出電壓及負(fù)載電流的對(duì)比，并計(jì)算獲得直流母線電壓各個(gè)參考指標(biāo)如表2 所示。其中Vf表示電壓下降的最大值，t＇表示電壓從開始降落至平穩(wěn)所經(jīng)過的時(shí)間，K表示電壓的波動(dòng)率。

表2 列車負(fù)荷波動(dòng)下直流母線電壓的仿真結(jié)果

由圖7 及表2 可知，相比于雙閉環(huán)控制策略，采用該文控制策略的車輛段微網(wǎng)在遇到列車負(fù)載波動(dòng)時(shí)，各個(gè)參考指標(biāo)包括直流母線電壓降落的最大值、電壓從開始降落到穩(wěn)定的時(shí)間以及電壓波動(dòng)率均更優(yōu)。也就是說，所提的混儲(chǔ)、光伏及逆變器的控制策略抑制直流母線電壓波動(dòng)效果更好，車輛段光儲(chǔ)微網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性得到了一定程度的提升。

圖8 為在列車負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，兩種控制方法下的光伏陣列電流、蓄電池電流、超級(jí)電容電流的對(duì)比。由圖可知，在0.6 s 時(shí)，列車負(fù)荷突然增大，蓄電池及超級(jí)電容的電流同時(shí)增大，蓄電池緩慢放電后慢慢降至0，超級(jí)電容在負(fù)荷增大的瞬間快速放電，然后電流快速減小至0；同理在1 s 時(shí)，列車負(fù)載的突然減小使得蓄電池緩慢地吸收低頻功率分量充電，超級(jí)電容迅速吸收高頻分量后電流變化至0，停止充電。

3.2 光伏波動(dòng)下仿真測(cè)試

在列車的負(fù)載功率恒定的情況進(jìn)行雙閉環(huán)控制策略與所提控制策略的光伏波動(dòng)仿真測(cè)試，在0.4 s 時(shí)將設(shè)定仿真初始的光照強(qiáng)度從500 W/m2增加至1 000 W/m2，在0.8 s 時(shí)將光照強(qiáng)度再次降為500 W/m2，光伏輸出電壓和電流在0.4 s和0.8 s時(shí)的變化如圖9所示。

圖10 顯示了在光伏波動(dòng)情況下，采用雙閉環(huán)控制策略和該文提出的穩(wěn)壓控制策略時(shí)的直流母線電壓、逆變輸出電壓及負(fù)載電流，在該仿真前提下獲取650 V 直流母線電壓波形如圖10 所示，電壓參考指標(biāo)對(duì)比如表3 所示。由圖10 及表3 可知，在列車負(fù)載功率恒定的情況下，車輛段微網(wǎng)系統(tǒng)中的光伏陣列發(fā)生波動(dòng)時(shí)，所提控制方法的穩(wěn)壓效果較雙閉環(huán)控制方法更好。

表3 光伏輸出波動(dòng)情況下母線電壓各參考指標(biāo)對(duì)比

圖11 顯示了在系統(tǒng)負(fù)載功率不變、光伏陣列輸出波動(dòng)時(shí)，不同控制策略下蓄電池、超級(jí)電容的功率變化。在仿真啟動(dòng)時(shí)光伏陣列光照強(qiáng)度為500 W/m2，此時(shí)車輛段微網(wǎng)列車負(fù)荷需求無(wú)法被滿足，采用雙閉環(huán)控制策略的蓄電池和超級(jí)電容均放電補(bǔ)償缺額能量，而采用該文控制策略的超級(jí)電容不工作，缺額能量全部由蓄電池補(bǔ)償；光照強(qiáng)度在0.4 s 時(shí)升高為1 000 W/m2，此時(shí)由于光伏陣列輸出的功率升高，除列車負(fù)載使用的外，剩余的能量給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，蓄電池及超級(jí)電容以不同的速度分別吸收低頻功率分量和高頻功率分量，母線電壓升高后快速恢復(fù)至650 V；0.8 s 時(shí)，光照強(qiáng)度減小至500 W/m2，光伏的發(fā)電量不足造成微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生功率缺額，此時(shí)由儲(chǔ)能系統(tǒng)快速放電進(jìn)行補(bǔ)償，母線電壓在產(chǎn)生波動(dòng)后迅速穩(wěn)定下來。

通過光伏輸出恒定列車負(fù)荷波動(dòng)與列車負(fù)載恒定光伏波動(dòng)下的仿真，說明和雙閉環(huán)控制策略相比，采用所提控制策略能夠令車輛段光儲(chǔ)微網(wǎng)抑制直流母線電壓波動(dòng)的能力更強(qiáng)，同時(shí)達(dá)到延長(zhǎng)電池使用壽命的目的。

4 結(jié)論

該文基于軌道交通車輛段微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種穩(wěn)壓控制策略，用于微網(wǎng)在列車負(fù)載波動(dòng)下與光伏陣列波動(dòng)下的穩(wěn)定運(yùn)行。通過文中提出的具有SOC 影響因子KSOC的電壓閉環(huán)控制、切換因子KSWITCH的電壓閉環(huán)控制、功率環(huán)控制的儲(chǔ)能控制策略，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與微網(wǎng)的傳輸功率可控，既保證儲(chǔ)能的使用壽命，也穩(wěn)定直流母線電壓。光伏端口采用功率控制型改進(jìn)擾動(dòng)觀察法，保證光伏端口功率可控，在能量過剩時(shí)，及時(shí)降低輸出功率保障直流母線電壓的穩(wěn)定。利用Matlab/Simulink 平臺(tái)搭建的仿真模型驗(yàn)證了所提控制方法的正確性，得到的直流母線電壓指標(biāo)均符合要求。