考慮儲能和新能源的城市軌道交通能源路由器拓撲設計與控制策略研究

摘 要： 為了解決城市軌道交通列車的啟停過程和分布式能源進入軌道交通能源路由器導致直流母線功率波動嚴重的問題，需要在不同端口之間進行能量路由，涉及多種運行模式，而無縫切換是一個重大挑戰。該文基于分層控制策略提出一種適用于城市軌道交通的六端口能源路由器拓撲結構以及分層協調控制策略，使多端口能源路由器能夠在列車停車、加速、恒功率驅動和減速等工況下協調運行，并在各種工況下無縫切換。能源中央調度層通過采樣各端口的狀態信息發送工況指令，微電網控制層采用集中控制，接收上層工況指令，向各局部控制層發送驅動信號，接收微電網控制層的驅動信號。局部各端口控制器控制各變流器電路的開關動作，并將變流器的工作狀態上傳至微電網控制層，以準確傳輸所需的列車負載功率，保持直流母線電壓的穩定。最后，采用Matlab/Simulink 仿真和實驗驗證了適用于軌道交通的六端口能源路由器拓撲設計及分層協調控制策略的可行性。

關鍵詞： 能源路由器; 城市軌道交通; 拓撲設計; 分層協調控制策略

中圖分類號： TB9; TM46 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0001–11

0 引 言

城市軌道交通是公認的節能、環保、快速、便捷、安全的交通方式。考慮到中國的發展路線圖，很明顯，在未來幾十年，軌道交通的能源使用將非常重要[1]。因此，探索軌道交通系統的環保能源供應和節能技術，對促進軌道交通的可持續發展具有很大的理論意義和實踐價值[2-5]。

在城市軌道交通系統中，頻繁的啟動、加速和制動操作很常見。在運行過程中，列車的牽引功率會出現顯著波動，這可能會導致互聯電網和軌道交通網絡的嚴重安全問題。與此同時，作為減少對化石燃料依賴的舉措之一，軌道交通系統網絡廣泛納入了間歇性和可變分布式能源發電系統[6-8]。因此，城市軌道交通供電網絡往往難以承受巨大的電力波動，這一挑戰促使能源路由器被引入能量流的系統管理[9-10]。

隨著可再生分布式發電的日益普及，許多“能源生產商”正在迅速連接到能源路由器。對于城市軌道交通，文獻中分析了各種接入方法。文獻[11] 建議從地鐵隧道收集風能，并將其轉化為電力進行儲存和利用。有研究[12] 提出通過儲能裝置利用軌道交通制動反饋能量或光伏發電的多余電力，這使得能夠實現二次電力利用并提高電力供應效率。電池和超級電容器是儲能裝置的主要類型。文獻[13]在能源路由器結構中加入多個儲能系統提高了系統的操作靈活性。另一方面，如文獻[14] 中所建議的，在ER 中集成自存儲系統，增強了系統對功率波動的彈性，并穩定了電網電壓。為了應對快速的功率變化，文獻[15] 在軌道交通網絡設計中引入了電池存儲系統和BESS 控制策略。此外，文獻[16] 通過對能源路由器電路的分析，提出了軌道交通能源路由器的可靠拓撲結構和控制策略。

軌道交通中多端口能源路由器的使用實現了多種供電方式，確保了高可靠性，并促進了各種運營場景下的分布式電源即插即用接入。然而，文獻[17] 的研究表明實現操作條件的無縫切換仍然是一個挑戰。在一項值得注意的工作[18] 中，采用分層分布式優化方法將微電網調度場景分解為單個微電網和能量路由子問題，這種方法有助于在調度過程中實現無縫能量流，從而提高系統的動態性能。在另一篇文獻[19] 中，提出了一種基于直流母線電壓信號的方法來實現工況切換；然而，為了確保可靠的切換，這種方法需要寬的操作總線電壓范圍，并且可能在硬切換期間導致顯著的電壓波動。同時，在文獻[2] 中，介紹了一種在城市軌道交通中管理和利用再生制動能量的新方法，這種方法依賴于旁路直流電路，顯著降低了與列車運行相關的費用和能源使用。此外，文獻[20] 提出了一種低功耗型多端口能源路由器以及多模式分層管理策略，以實現上網、離網和無縫切換過程。雖然文獻[21] 引入了操作狀態之間的平滑轉換技術，但它僅限于并網和離網切換，無法實現所有轉換器的無縫切換。為了全面應對切換挑戰，文獻[22] 提出了一種基于事件響應的控制策略；然而，這種方法仍然涉及硬切換，導致在切換瞬間出現大的直流母線電壓波動。相反，文獻[23] 提出了一種集成光伏系統、儲能和電動汽車充電的獨立直流微電網的能量協調控制方法。該策略提高了直流微電網系統的穩定性，并最大限度地減少了儲能裝置的容量冗余。

在此基礎上，本文提出了一種六端口能源路由器的拓撲結構和一種針對城市軌道交通的分層結構協調控制策略。風電光伏儲能端口的集成提高了城市軌道交通中可再生能源的利用率，同時提高了運營的可靠性和靈活性，尤其是與并網端口相結合時。為了實現緊湊性和效率，將電力電子轉換器集成到軌道交通能源路由器的設計拓撲中。為了優化可再生能源的使用，解決由功率和負載波動引起的功率不平衡問題，并促進列車啟停期間運行條件的無縫切換，提出了一種多模式切換的分級管理控制策略。該策略實現了協調操作和不同操作條件之間的無縫轉換。