考慮光儲的軌道交通車輛段微網控制策略研究

余剛

（中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100036）

城市軌道交通是世界公認耗能低、污染少、快捷、便利、安全的交通運輸工具，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[1]。在中國制造概念的極大推動下，提出構建技術創新、質量過關、綠色環保的先進軌道交通裝備，于是軌道交通行業成為國內尖端制造技術領域競爭最激烈、創新驅動水平最高的領域之一。隨著城市軌道交通的快速發展，節能、智能化是軌道交通當今發展的重要趨勢[2]。

牽引供電系統是軌道交通系統的主要能耗點，而我國很多地區都具有光伏發電的天然條件，適合設置獨立光儲微電網解決軌道交通車輛段的牽引供電問題。相比于交流微網來說，直流微網不存在頻率跟蹤、無功波動的問題，提高了系統電能質量與穩定性[3-4]。將光儲接入軌道交通車輛段形成直流微網后，直流母線作為車輛段微網的能量交換中心，列車負載及光伏輸出的變化都有可能令其電壓產生一定的波動，對系統正常運行造成影響。關于直流微電網系統的直流母線穩壓控制問題，國內外相關研究機構與學者已經取得了部分成果。文獻[5]研究了微網系統的穩定性，將儲能補償和負荷控制用于應對天氣引起的光伏陣列輸出波動，從而保證微電網母線電壓穩定。針對固定下垂系數的下垂控制無法應用于低壓微網的問題，文獻[6-8]令固定的下垂控制系數自適應變化對其進行了改進，并且通過仿真驗證了可變下垂系數的可行性。文獻[9-11]構建了在含分布式電源的微網中加入電動汽車，并研究了在微網中接入電動汽車對系統運行控制存在的影響。

以獨立運行的軌道交通車輛段微網為研究對象，提出針對列車負載波動及光伏波動的穩壓控制策略，光伏采用功率控制型改進擾動觀察法，儲能采用具有SOC 影響因子的電壓閉環控制，具有切換因子的電壓閉環控制、功率環控制，逆變器采用雙閉環控制。通過分別模擬列車負荷和光伏輸出變化時的系統情況，驗證了與雙閉環控制相比，直流母線電壓指標能夠更好地滿足抑制直流母線電壓波動、提高系統暫態穩定性的要求。

1 車輛段光儲微網系統結構

針對軌道交通車輛段的光伏-儲能系統，所提出的微網拓撲結構如圖1 所示，其中接入650 V 直流母線的端口包括列車負荷、蓄電池、超級電容、光伏；列車負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。

由于獨立的車輛段光儲微電網缺乏大電網的支撐，在光伏陣列瞬時功率發生較大的波動時，會對直流母線電壓產生一定的影響。僅僅依靠對光伏陣列Boost 變換器進行控制無法保障母線電壓的穩定，因此將混合儲能系統接入車輛段中，為光伏逆變器提供穩定的電壓，維持車輛段微網系統的能量平衡。

在混合儲能系統中，蓄電池與超級電容器的特性不同。蓄電池能量密度高，但功率密度低，因此其容量較大，可存儲較多能量，瞬時功率流動小，不適合瞬間吸收或釋放較大能量；而超級電容正好相反，能量密度低，功率密度高，可瞬時釋放或吸收較大能量，蓄電池和超級電容的接入提高了微網運行的靈活性。

2 車輛段微網系統的運行控制策略

該文基于穩壓的目的提出軌道交通車輛段微網控制策略。針對混合儲能系統，在電壓電流雙閉環控制的基礎上引入SOC 影響因子KSOC，以達到功率流動的平滑性，同時為了更好地調控儲能系統的突然切入與切出，引入切換因子KSWITCH；對于光伏系統，將輸出功率納入考慮，從而實現MPPT 及穩壓控制；為了使其輸出符合電能質量的要求，三相逆變器采用電壓電流雙閉環的策略。

2.1 儲能系統控制方法

儲能系統的控制是車輛段光儲微網中最為關鍵的一環，列車負荷高峰時充當電源輸送功率，列車負荷低谷時儲存能量，維持母線電壓穩定。

儲能系統采取最常用、最基本的雙閉環控制。在采集到直流側電壓值后，將其和標準值比較后送入PI 控制器構成電壓環；把電壓環得到的輸出與儲能電流值進行比較再傳遞給PI 控制器構成電流環，電流環輸出Vref信號傳給PWM 控制器產生儲能系統的控制信號，控制方程如式（1）所示：

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

為了令功率流動具有平滑性，在所述控制的基礎上對其進行改進。當儲能SOC 達到限值時會導致儲能端控制的開關進入閉鎖狀態，某個儲能功率的突然消失，必然導致母線電壓的波動，所以在儲能SOC 接近限值時，在電壓環的輸出端引入SOC 影響因子KSOC，在保證SOC 逐漸逼近正常工作限值時，控制儲能的功率流動也慢慢減少。KSOC如式（2）所示，控制框圖見圖2。

式中，SOCL_risk、SOCH_risk為蓄電池SOC 上下危險限值；SOCL_limit、SOCH_limit為蓄電池SOC 正常運行限值。

由于該儲能系統包括了蓄電池和超級電容，因此它們之間的配合也需要過渡。儲能系統突然的切入或者切出均會引發母線電壓的波動，所以必須對儲能突然切入與切出過程進行調控。在狀態切換時，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為設定的PI 控制器增益值，t0為狀態切換時刻，t為當前時刻，Δt為預先設定的切換時間間隔。

超級電容通常能夠在短時間提供較大功率，當列車加速時，功率增長可由超級電容消納，但由于電壓環中的PI 控制存在滯后，不能充分發揮其特性優勢。因此，對于超級電容器，控制策略采用功率環控制。儲能控制策略框圖如圖4 所示。

功率控制利用微網控制層采集車輛段列車的功率，再除以超級電容當前的電壓值之后獲得電流參考值，將其與超級電容的實測電流值進行比較之后送入PI 控制器產生Vref，傳入PWM 發生器得到控制信號。控制方程如式（4）所示：

式中，Kp3、Ki3為電流環PI 控制器參數，Usc為超級電容兩端電壓，Pref微網控制層采集列車的功率，Isc為實際測得的超級電容輸出電流。

2.2 光伏電池控制策略

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

當接收到微網控制層功率限制的指令時，通過改進的擾動觀察法迅速將輸出功率縮減至微網控制層下發的Pref。當光伏輸出功率減小時，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，占空比步長Δd也會增大，以保證快速達到參考功率點。

2.3 逆變器控制策略

為了保證無論微網的列車負載如何變化，端口始終能夠輸出符合電能質量要求的電壓，該文針對兩電平三相逆變器拓撲結構，采用電壓電流雙閉環控制。交流負載逆變器拓撲和控制關系如圖6 所示，其中u2d、u2q和i2d、i2q分別是逆變器交流側基波電壓電流經dq解耦后的分量，uo2d、uo2q與io2d、io2q分別為列車負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、電壓內環PI 控制器的比例積分控制系數。在電壓外環，將負載三相電壓的實際有效值和參考值進行比較，產生誤差信號，經PI 控制器調節，得到瞬時有功電流與無功電流的參考值。在電流環中，將與反饋的相電流的瞬時值進行比較，再經過PI 控制器調節得到逆變器側輸出電壓參考值，最后送入SPWM 比較發生器中產生逆變器開關管的脈沖信號。

3 基于Simulink的仿真及結果分析

為了驗證文中所提出的各個控制策略對軌道交通車輛段微網中直流母線電壓的穩定性有顯著提升效果，在Matlab/Simulink 平臺中搭建了考慮光伏及混合儲能的獨立車輛段微網的仿真模型，分別對列車負載波動和光伏發發生波動的情況下進行仿真實驗與分析。

設定仿真的時長為1.5 s，參考傳遞函數與經驗法進行仿真驗證，先根據傳遞函數來確定控制參數的初值，然后根據控制參數的控制效果來進行PI 參數的整定，得到車輛段微網系統各個仿真參數如表1所示。將直流母線的電壓設為650 V，逆變器輸出的額定功率設為7 500 W，并令輸出的交流電壓有效值為AC 220 V，設定光伏陣列處于標準環境條件下進行仿真實驗。

表1 車輛段微網系統的仿真參數

3.1 列車負載波動下仿真結果

圖7 及圖8 為令光伏輸出功率不變，改變負載功率時的仿真波形。在仿真開始時列車負載的功率為6 kW，在0.6 s 時增加列車的負載，使得列車負載的功率增大為11 kW，仿真至1 s 時切出0.6 s 時刻增加的列車負荷，此時負荷的功率又降至6 kW。圖7 顯示了在雙閉環控制策略和所提出的穩壓控制策略下的直流母線電壓、逆變輸出電壓及負載電流的對比，并計算獲得直流母線電壓各個參考指標如表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所經過的時間，K表示電壓的波動率。

表2 列車負荷波動下直流母線電壓的仿真結果

由圖7 及表2 可知，相比于雙閉環控制策略，采用該文控制策略的車輛段微網在遇到列車負載波動時，各個參考指標包括直流母線電壓降落的最大值、電壓從開始降落到穩定的時間以及電壓波動率均更優。也就是說，所提的混儲、光伏及逆變器的控制策略抑制直流母線電壓波動效果更好，車輛段光儲微網暫態穩定性得到了一定程度的提升。

圖8 為在列車負荷波動時，兩種控制方法下的光伏陣列電流、蓄電池電流、超級電容電流的對比。由圖可知，在0.6 s 時，列車負荷突然增大，蓄電池及超級電容的電流同時增大，蓄電池緩慢放電后慢慢降至0，超級電容在負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，列車負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 光伏波動下仿真測試

在列車的負載功率恒定的情況進行雙閉環控制策略與所提控制策略的光伏波動仿真測試，在0.4 s 時將設定仿真初始的光照強度從500 W/m2增加至1 000 W/m2，在0.8 s 時將光照強度再次降為500 W/m2，光伏輸出電壓和電流在0.4 s和0.8 s時的變化如圖9所示。

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

表3 光伏輸出波動情況下母線電壓各參考指標對比

圖11 顯示了在系統負載功率不變、光伏陣列輸出波動時，不同控制策略下蓄電池、超級電容的功率變化。在仿真啟動時光伏陣列光照強度為500 W/m2，此時車輛段微網列車負荷需求無法被滿足，采用雙閉環控制策略的蓄電池和超級電容均放電補償缺額能量，而采用該文控制策略的超級電容不工作，缺額能量全部由蓄電池補償；光照強度在0.4 s 時升高為1 000 W/m2，此時由于光伏陣列輸出的功率升高，除列車負載使用的外，剩余的能量給儲能系統充電，蓄電池及超級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至650 V；0.8 s 時，光照強度減小至500 W/m2，光伏的發電量不足造成微網系統發生功率缺額，此時由儲能系統快速放電進行補償，母線電壓在產生波動后迅速穩定下來。

通過光伏輸出恒定列車負荷波動與列車負載恒定光伏波動下的仿真，說明和雙閉環控制策略相比，采用所提控制策略能夠令車輛段光儲微網抑制直流母線電壓波動的能力更強，同時達到延長電池使用壽命的目的。

4 結論

該文基于軌道交通車輛段微網的拓撲結構，提出了一種穩壓控制策略，用于微網在列車負載波動下與光伏陣列波動下的穩定運行。通過文中提出的具有SOC 影響因子KSOC的電壓閉環控制、切換因子KSWITCH的電壓閉環控制、功率環控制的儲能控制策略，實現儲能與微網的傳輸功率可控，既保證儲能的使用壽命，也穩定直流母線電壓。光伏端口采用功率控制型改進擾動觀察法，保證光伏端口功率可控，在能量過剩時，及時降低輸出功率保障直流母線電壓的穩定。利用Matlab/Simulink 平臺搭建的仿真模型驗證了所提控制方法的正確性，得到的直流母線電壓指標均符合要求。