儲能型再生制動能量并網技術的研究

畢大強 張秋瑞 葛寶明

(1.清華大學電機系電力系統國家重點實驗室，100084，北京;2.北京交通大學電氣工程學院，100044，北京//第一作者，高級工程師)

城市軌道交通站間距離較短，列車起動制動頻繁，會產生非?？捎^的再生制動能量。目前這部分能量主要被電阻以發熱的形式消耗掉，在造成能源浪費的同時也污染了環境。

目前，儲能和逆變是再生制動能量循環利用的主要方式。儲能的代表技術主要有蓄電池儲能、電容儲能和飛輪儲能3 種。能量回饋的代表技術主要是逆變至中壓網絡和低壓負荷 2 類［1-2］。文獻［3］、文獻［4］研究了基于超級電容儲能系統的吸收技術。采用儲能系統可以緩沖再生制動能量對交流電網的沖擊，列車牽引時，儲能系統放電，防止直流牽引網電壓跌落較大;列車再生制動時，吸收再生制動能量，實現能量的循環利用。但是，儲能系統完全吸收再生制動能量須滿足以下2 個條件:能夠儲存較多的再生制動能量;能夠吸收兆瓦級以上的充電功率。而超級電容器的能量密度相對較低，因此需要增大超級電容器組的體積，這會增加設計成本，也會占用寶貴的車下空間。蓄電池儲能系統，其容量比超級電容大，但是充放電速率較慢，且電池壽命較短，大量使用會對環境造成污染［5］。飛輪儲能系統具有效率高、充電快捷、高儲能量等優點，可以實現再生制動能量循環利用，但是飛輪的質量較大、摩擦損耗問題嚴重，并且維護費用昂貴［6］。文獻［7］、文獻［8］研究了再生制動能量并網利用技術，通過并網逆變器回饋給交流電網得以循環利用，但是列車再生制動時，再生制動功率直接上升到峰值附近，呈現尖峰狀，如果直接回饋給交流電網，則對電網產生較大的沖擊，將產生豐富的諧波。本文針對并網型和配有儲能裝置的不可控整流的再生制動能量利用系統的優缺點，設計了儲能型再生制動能量并網系統，對再生制動能量處理時，并網方案與儲能方案互相補充，提高性能。該方案在列車起動時，儲能系統能夠釋放能量，給列車供電;在列車制動時，可以使大部分能量通過并網逆變器回饋給交流電網，而儲能系統只用來吸收多余的少部分制動能量，因此超級電容的體積和成本都可大大降低。另外，由于儲能系統的參與使回饋的再生制動能量對交流電網的沖擊大大減小，入網電能質量得到改善。本文在該方案的基礎上研究再生制動能量的分配，對DC-DC 變換器和DC-AC 變換器設計了單獨的控制策略;并在試驗驗證的基礎上給出了儲能優先和并網優先的控制策略，進行仿真分析和對比。

1 儲能型再生制動能量并網系統的設計

列車再生制動時，直流牽引網電壓升高，通過儲能型再生制動能量并網系統控制并聯在直流側的DC-AC 逆變器和雙向DC-DC 變換器，把列車再生制動時產生的能量一部分回饋給交流電網中，另一部分儲存到超級電容中，能夠實現再生制動能量的再利用和維持直流牽引網電壓的穩定的作用，防止再生制動失效。

圖1 是儲能型再生制動能量并網系統的主電路結構圖。該系統由三相交流電源經降壓變壓器降壓后與二極管構成不可控整流來模擬變電所直流牽引供電系統，整流器輸出24 脈動DC 750 V 電壓到直流牽引供電網;電路后端加入了逆變器和電機，通過控制電機運行的不同狀態來模擬機車運行工況。

圖1 儲能型再生制動能量并網系統的主電路結構圖

儲能型再生制動能量并網系統采用雙向DC-DC 變換器和電壓型PWM 逆變器2 個功率變換器。當列車起動、直流牽引網電壓低于預設值時，超級電容通過雙向DC-DC 變換器開始放電，降低直流牽引網電壓的跌落。當列車再生制動時，則分為并網優先和儲能優先2 種情況:

(1)并網優先控制:當直流牽引網電壓首先超過并網系統預設值時，并網逆變器開始啟動，再生制動能量回饋給交流電網;當超過儲能系統的預設值時，儲能裝置啟動，并網逆變器不工作，再生制動能量通過雙向DC-DC 變換器儲存到超級電容組中。

(2)儲能優先控制:當直流牽引網電壓首先超過儲能系統的預設值時，儲能裝置啟動，此時再生制動能量通過雙向DC-DC 變換器儲存到超級電容器組中;當超過并網系統的預設值時，并網逆變器工作，超級電容儲能系統不工作，再生制動能量回饋給交流電網。

儲能型再生制動能量并網系統，在列車牽引時，儲能系統放電，防止直流牽引網電壓跌落較大，發生事故;在列車再生制動時，儲能系統的參與，使再生制動能量逆變回饋時減小對交流電網的沖擊;同時并網系統的參與也減小了超級電容的容量和體積，節約了成本。

2 控制策略

再生制動能量在并網系統與儲能系統之間的分配可以有多種分配方法，主要通過控制直流牽引網電壓來實現2 個系統之間的切換。本文主要研究并網優先和儲能優先2 種控制策略。

2.1 并網優先控制策略

圖2 是并網優先控制策略流程圖。列車起動或者加速時，當牽引網電壓UDC＜740V 時，超級電容開始放電，補償牽引網電壓的跌落;再生制動時，制動能量使牽引網電壓升高，當電壓750 V≤UDC＜850 V 時并網系統啟動，再生制動能量回饋給交流電網;當UDC≥850 V 時儲能系統啟動，吸收剩余的再生制動能量。圖3a)、b)分別是儲能系統和并網系統啟動時的邏輯判斷。

2.2 儲能優先控制策略

圖4 是儲能優先控制策略流程圖。列車起動或者加速，牽引網電壓UDC＜740 V 時，儲能系統開始放電，補償直流牽引網電壓的跌落;再生制動時，牽引網電壓750 V≤UDC＜830 V 時，超級電容通過雙向DC-DC 變換器吸收再生制動能量;當UDC≥830 V時并網系統啟動，回饋剩余的再生制動能量。圖5a)、b)分別是儲能系統和并網系統啟動時的邏輯判斷。

文中對電壓源型逆變器采用輸出電流控制，在電網電壓矢量同步旋轉的d-q 坐標系下，應用同步矢量電流PI 控制器對逆變器輸出電流實施閉環控制，實現有功和無功的解耦控制，達到逆變器輸出單位功率因數的并網目的［9-12］。圖6 是DC-AC 控制框圖，外環是直流電壓環，內環是電流環，通過控制電壓型逆變器，使再生制動能量回饋到電網中，實現能量的循環利用。

圖2 并網優先控制策略下的流程圖

圖3 儲能優先情況下的控制策略

圖7 是雙向DC-DC 變換器的控制框圖?？刂频闹饕康氖菧p小牽引網電壓波動?？刂葡到y采用的是電壓外環和電流內環的雙環控制結構，使儲能系統主要運行在充電和放電2 種狀態。

圖4 儲能優先控制策略下的流程圖

圖5 并網優先情況下的控制策略

圖6 DC/AC 控制框圖

圖7 雙向DC-DC 變換器控制框圖

3 仿真分析

3.1 仿真參數

搭建了儲能型再生制動能量并網系統仿真模型進行分析。仿真參數:①模擬牽引供電系統參數——三相交流電源電壓幅值E =10 kV，頻率f =50 Hz;②線路參數——線路電阻 R =0.01 Ω，線路電感 L=0.2 mH，直流側電容 C=12 400 μF;③電網側參數——電網線電壓380 V，濾波電感10 mH;④直流側參數——超級電容C=50 F，濾波電感L=4.17 mH;⑤開關頻率fs=10 kHz。

3.2 仿真結果

圖8 是系統投入前后牽引網電壓的對比圖，其中圖8a)、b)分別是采用儲能優先和并網優先控制策略的直流牽引網電壓的仿真結果(UDC1、UDC2和UDC3)。當列車啟動或者加速時儲能系統能夠一定程度防止牽引網電壓跌落，制動時均能維持牽引網電壓的穩定。

圖9 是再生制動能量并網時逆變器輸出的并網電流和電網電壓，圖9a)、b)分別是儲能型再生制動能量并網系統儲能優先和并網優先控制策略逆變器輸出電流的仿真波形(Ia1和Ia2)。圖中A 點(1.1 s)并網系統啟動，再生制動能量回饋給電網，由圖可知Ia1和Ua同相位，功率因數較高。圖中B 點(1.02 s)并網系統啟動，由圖可知Ua和Ia2同相位，功率因數較高。

圖8 直流牽引網電壓

圖9 并網電流

分別對圖9a)、b)啟動瞬間1 個周期(0.02 s)進行諧波分析，其電流的諧波畸變率分別是rTHD1=11.42%和 rTHD2=16.79%，結果驗證了上述分析。即:列車再生制動時，再生制動功率呈現尖峰狀，直接上升至峰值附近，對交流電網產生一個較大的沖擊，將產生豐富的諧波。可知，當列車再生制動時，通過儲能裝置吸收尖峰狀的再生制動能量，當再生制動能量平緩時再回饋給交流電網，減小制動能量對電網的沖擊。仿真結果表明，儲能優先控制比并網優先控制策略更適合于軌道交通再生制動能量回收。

4 試驗分析

結合實驗室現有設備和條件分別搭建了儲能和并網系統試驗平臺。

4.1 儲能型試驗

儲能系統試驗平臺由74F 超級電容器模組、DC-DC 控制電路和單相電阻箱構成，完成了儲能系統Buck 和Boost 工作模式的試驗。圖10a)、b)分別是Boost 和Buck 試驗主電路結構圖。其中:超級電容端電壓UDC=12 V，直流電感L =3 mH，負載電阻R=12 Ω，預充電電阻 R0=100 Ω，穩壓電容 C0=470 μF。

圖10 試驗主電路結構圖

圖11a)、b)分別是Boost 和Buck 電路的試驗結果，圖11a)電壓從12 V 升壓至24 V，圖11b)電壓從30 V 降壓至15 V，雙向DC-DC 變換器實現了升降壓功能，為防止IGBT 上下橋臂發生導通從而燒壞，設置了死區，為 10 μs。

4.2 并網型試驗

結合實驗室現有的條件，對本文提出的DC-AC電壓外環和電流內環的控制算法進行小功率的試驗驗證。圖12 是試驗的主電路拓撲結構圖，圖13a)是動態試驗波形。試驗結果表明:B 點時刻逆變器啟動，直流母線電容電壓下降，如圖中A所示，最后穩定在44 V 左右。圖中示波器:Ua，每格為10 V;UDC，每格為 20 V;Ia，每格為 10 A;Idc，每格為 10 A;t，每格為500 ms。圖13b)是穩態試驗波形，試驗結果表明:直流母線電容電壓UDC為44 V，電流IDC為6 A，逆變器輸出電流為6 A 且和電壓同頻同相，實現了單位功率因數并網。圖中示波器:Ua，每格為10 V;UDC，每格為20 V;Ia，每格為 10 A;IDC，每格為 10 A;t，每格為 10 ms。

圖11 試驗結果

圖12 試驗主電路拓撲結構圖

圖13 試驗結果

5 結語

本文利用超級電容儲能系統的優點，結合列車再生制動時制動能量的特點，設計了儲能型再生制動能量并網系統。列車起動時，儲能系統通過雙向DC-DC 變換器放電;再生制動時，儲能系統和并網系統共同參與對再生制動能量的吸收。提出了并網優先和儲能優先2 種控制策略。通過理論分析和仿真，驗證儲能優先控制策略優于并網優先控制策略，即:提高了再生制動能量利用率，減小了再生制動能量對電網的沖擊，有效抑制了直流牽引網電壓的波動，改善了系統效率。試驗結果進一步驗證了控制策略的正確性和有效性。

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