再生制動能量電容儲能裝置組網及協同控制系統

桑佳楠 丁明進 劉春松

(國電南京自動化股份有限公司，210043，南京∥第一作者，工程師)

城市軌道交通列車在運行過程中由于本身質量較大、行駛速度較快，頻繁地制動會產生大量的再生制動能量。這部分再生制動能量如不被吸收利用，將引發直流接觸網電壓急速抬高，威脅城市軌道交通運行安全[1]。再生制動能量電容儲能裝置(以下簡稱“電容儲能裝置”)通過變流器以斬波的方式將直流電壓升高或者降低至可控范圍，存儲在超級電容中，以實現在列車制動時吸收多余的再生制動能量，從而避免直流接觸網電壓升高[2]；在列車起動時釋放再生制動能量可為列車供電。在城市軌道交通實際運行線路中，由于再生制動能量受車輛運行速度、載客量及排車密度等參數影響，不同的牽引所能吸收的再生制動能量并不相同，但在實際工程設計中大多配置相同容量的電容儲能裝置，因此出現了不同牽引所的裝置功率輸出不均衡、不協調的情況，即有的裝置容量不足以吸收再生制動能量，有的裝置仍有剩余容量，對于整條線路的再生制動能量吸收率不高[3]。另一方面，如果某站再生制動能量吸收裝置故障或檢修，該站的牽引網壓將難以被穩定住，會威脅列車行駛安全。

為解決上述問題，可將整條線路的電容儲能裝置進行組網，當某牽引所電容儲能裝置因故障、檢修而退出運行，或者再生制動能量過大而吸收功率不足時，相鄰站裝置可以進行功率支援，能最大限度穩定直流網壓，以確保列車運行安全。

1 電容儲能裝置組網及協同控制方案

1.1 電容儲能裝置運行原理

電容儲能裝置的直流側直接并聯接入供電系統的直流牽引網，其電氣主接線如圖1所示。

圖1 電容儲能裝置電氣主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of capacitor energy storage device

電容儲能裝置通過IGBT模組以斬波的方式將直流電壓升高或者降低至可控范圍內，進而存儲在超級電容組中，以實現在列車制動時對多余再生制動能量的吸收，并在列車牽引時供電穩定直流網壓。

1.2 電容儲能裝置的組網設計

城市軌道交通牽引供電系統，在牽引降壓所或降壓所中配置電容儲能裝置，由電容儲能裝置控制系統、綜合保護裝置(以下簡稱“綜保裝置”)、環網交換機和站間光纖組成環網或者鏈式網絡。多套電容儲能器裝置組網后工作原理如圖2所示。

圖2 電容儲能器裝置組網后工作原理圖

1.3 協調系統的控制策略

電容儲能裝置組網后的協同控制邏輯如圖3所示。協同控制包含以下步驟。

步驟1：判斷第K個牽引所內電容儲能裝置是否發出協同控制請求，所述的發出協同控制指令具有兩個并行觸發條件：①第K個牽引所內電容儲能裝置的電容電壓U達到最大值Umax，且直流牽引網壓UDC繼續上升；②第K個牽引所內電容儲能裝置因故障、檢修而退出運行。

任一觸發條件滿足后，第K個牽引所內電容儲能裝置的控制系統發出信號，請求相鄰的第K+1和K-1牽引所的設備進行功率支援。

步驟2：第K+1和K-1牽引所的設備判斷當前電容儲能狀態。當檢測到電容電壓U≤U0，則進行步驟3；若電容電壓U>U0，則進入步驟四，請求相鄰的第K+2和第K-2牽引所設備進行協同控制。其中，U0為低于電容電壓吸收上限值Umax的電壓比較值。

圖3 協同控制策略Fig.3 Synergetic control strategy

步驟3：相關設備的控制系統控制充電啟動閾值Uin降低20 V(重復過程最多降低2～3次)，延遲T進入步驟5。其中，Uin為電容儲能裝置對于直流接觸網電壓抬高的啟動閾值。

步驟4：判斷第K+2和第K-2牽引所設備的電容儲能狀態，若電容電壓U≤U0，則進入步驟3；若電容電壓U>U0，則進入步驟2。

協同控制請求最多發送到第K+2和第K-2的牽引所設備，因為牽引接觸網及回流軌本身的阻抗特性，距離越遠電壓損耗越高，相鄰站電容儲能裝置對于再生制動能量的吸收效果也就越差。

步驟5：判斷第K個牽引所內電容儲能裝置發出的協同控制指令是否消失，若消失，恢復各設備被降低了的充電啟動閾值，退出本次協同控制；若沒有消失，進入步驟2重新判斷。

上述協調配合方式為典型方案，可根據實際測試情況和數據進行進一步優化設備啟動閾值、延時時間、電容電壓上限值與下限值等。

2 組網及協同控制系統的應用

2.1 項目設計

電容儲能裝置安裝在某城市軌道交通試驗線，列車最高速度為80 km/h，采用6編組單軌制式。牽引供電制式采用DC 750 V接觸軌供電，接觸軌回流方式。

對電容儲能裝置應符合以下設計要求：額定功率為1 000 kW間歇工作制(30 s/120 s)，啟動閾值Uin為860 V，電容電壓上限值Umax為750 V，電壓比較值U0為600 V。

2.2 測試及分析

結合現場車輛AW3(超常荷載)工況試驗，對線路中電容儲能裝置的工作狀態進行了在線測試和分析。第1個牽引所內電容儲能裝置發出協同控制請求，其信號通過網絡交換機傳輸到相鄰牽引所，控制系統數據解碼后得到由低電平變為高電平的信號。協同控制請求信號如圖4所示。

圖4 協同控制請求信號示意圖Fig.4 Synergetic control request signal

綜保裝置之間采用Goose通訊協議[4]，各控制系統間為對等控制，無需配置中央處理器，因此僅需進行開關量的傳輸，大大提高了協同控制的響應速度。

2.2.1 第2個牽引站運行工況

第2個牽引所內電容儲能裝置收到協同控制請求后，根據2.3節所述的步驟二控制策略，判斷當前電容儲能狀態，檢測到電容電壓U≤600 V時，則進入步驟三，其控制系統控制充電啟動閾值Uin降低20 V，為840 V。第2個牽引所內電容儲能裝置運行波形如圖5所示(其中，I為電容儲能裝置的吸收電流)。

圖5 第2站電容儲能裝置波形示意圖

列車在第1個牽引所制動后，由于該站電容儲能裝置故障不能吸收再生制動能量，因此再生制動能量引起第2站的牽引網壓繼續升高，當達到啟動閾值840 V時，該站的電容儲能裝置開始吸收制動能量，73 ms后達到最大輸出電流1 470 A。牽引網電壓被控制在目標值后，設備的輸出電流隨著制動功率的減小趨近于0。

電容儲能裝置額定運行后，直流牽引網壓的相關參數測量如表1所示。

表1 直流網壓的紋波因數Tab.1 Ripple factors of DC network voltage

電容儲能裝置設置的控制目標值為820 V，設備運行后，直流網壓有效值實測819.5 V。經計算紋波因數為1.6%，滿足GB/T 36287—2018要求的3%[5]。可見設備可以有效穩定直流牽引網壓，抑制網壓波動。

2.2.2 第3個牽引站運行工況

為了使第3個牽引所內電容儲能裝置能夠進行功率支援，模擬第2個牽引所內電容儲能裝置不具備協同吸收的條件，則控制系統進入2.3節所述步驟四，判斷第3個牽引所設備的電容儲能狀態。檢測到該站電容電壓U≤600 V，控制系統控制充電啟動閾值Uin降低40 V，為820 V。第3個牽引所內電容儲能裝置運行波形如圖6所示。

圖6 第3站電容儲能裝置波形示意圖

第3牽引站的電容儲能裝置最大吸收電流為530 A，最大電量為0.59 kWh，電容電壓充至700 V后開始放電穩定直流牽引網壓。可見，該站電容儲能裝置成功投入運行，吸收了來自第1牽引站的制動能量，但由于距離較遠、線路損耗高，因此吸收的再生制動能量相比第2個牽引站少。

3 結語

安裝組網及協同控制系統后，當某站的電容儲能裝置控制系統發出協同控制請求時，站間聯絡光纖會將信息傳輸給相鄰站的電容儲能裝置，裝置將依次降低啟動閾值，最大限度穩定直流牽引網壓，有效提高了全線再生制動能量的吸收效率，以保障行車安全。試驗證明系統協調性好、響應速度快，具有顯著的推廣價值。