基于多目标综合控制的低碳轨道交通操控节能方案

袁 田

（1.江苏省电力公司 检修分公司 南京分部 镇江工区，江苏 镇江 212000；2.东南大学，南京 210096）

基于多目标综合控制的低碳轨道交通操控节能方案

袁 田1,2

（1.江苏省电力公司 检修分公司 南京分部 镇江工区，江苏 镇江 212000；2.东南大学，南京 210096）

提出一种应用于轨道交通供电系统的多目标综合控制节能方案。采用可控高功率因数整流的AC/DC变流模块取代传统的整流电路以实现能量的双向流动，并采用多个AC/DC变流模块并联的形式来扩大整个方案容量，同时在直流牵引母线处装有一台或多台并联DC/DC变流模块，使机车制动时产生的电能可部分通过AC/DC模块回馈到电网，部分通过DC/DC模块升压后存储到独立电容器组。研究表明，该方案不仅可以充分回收及利用制动能量，并通过部分吸收回馈能量来克服所有能量瞬时回馈电网对电网的冲击，还可以通过对牵引变电站谐波及无功的补偿改善轨道交通变电站的电能质量，从各个角度提升节能功效。

多目标综合控制；轨道交通；可控高功率因数

节约能源是我国的一项基本国策，是国民经济可持续发展战略的重要内容。近年来，随着我国经济的迅猛发展，交通拥挤状况成为新兴城市发展的一个重大障碍。在各大城市中，发展和建设快速的轨道交通系统已势在必行。目前，我国已有15个城市正在申请修建轨道交通和轻轨道路，线路总长超过430 km，建设投资约1 400亿元人民币。到2025年，我国将有30个以上的大中城市建成轨道交通网，轨道交通将成为大中城市的主要交通网[1—2]。

目前国内城市轨道交通大多数采用电阻能耗吸收方案处理列车运行过程中的再生能量，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风方案的负担，并使城轨建设费用和运行费用增加。有研究提出可以将飞轮储能型或电容储能型制动技术应用于轨道交通线路，采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量吸收到飞轮电动机或大容量电容中。这一技术理论上具有一定的实用价值，但飞轮储能型制动技术的储能元件为飞轮电动机。由于飞轮长时间处于高速旋转状态，且飞轮质量很大，故摩擦耗能问题严重，飞轮工作寿命短。另外现有电容储能型制动技术的吸收设备每次存储满电能后都要将电容上的电能释放消耗掉，否则下次工作电容无法吸收制动能量。这些缺陷在一定程度上限制了节能效果的进一步改善[3—5]。

本文提出一种针对轨道交通供电系统的多目标综合控制的节能方法，该方法能够使再生制动能量在系统中优化分配并能够对牵引变电站的谐波、无功进行补偿，从而在降低轨道交通供电系统能耗的同时，保证系统的稳定性和改善电能质量。

1 轨道交通节能方案模型

对于大城市的轨道交通网络，普遍采用直/交变压变频的传动方式，车辆的制动方式为电制动（再生制动）+空气制动，运行中以电制动为主，空气制动为辅。列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观。轨道交通再生制动产生的能量除了一定比例（一般为20%～80%）被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收方案吸收，造成再生能量较大的流失[6—7]。

本文提出的这种新型轨道交通供电系统的多目标综合控制节能方法，其核心体现在将制动能量通过逆变方式回馈电网以及将制动能量的一部分通过超级电容吸收，在牵引变电站发生故障的情况下，将这部分能量释放出来，维持直流牵引网的电压，保证列车的继续行驶。具体节能操控方案结构模型图如图1所示。

图1 新型节能轨道交通操控模型

这一节能模式主要采用可控高功率因数整流的AC/DC变流模块取代传统的整流电路，以实现能量的双向流动，并可通过高功率因数整流技术抑制自身谐波。多个AC/DC模块的直流侧连接到一个公用的电容器组上以扩大方案的容量，直流牵引母线从此电容器组正、负极引出。同时在直流牵引母线处装有一个或多个并联的DC/DC变换器，通过升压将吸收的部分电能存储到电容器组中。这就使机车制动时产生的能量可部分通过AC/DC模块回馈到电网，部分通过DC/DC模块存储到独立电容器组，克服了所有能量瞬时回馈电网对电网的冲击。

除此之外，还采用多目标综合节能的控制方法控制2部分电路，优化能量在系统中的分配，使制动能量的消耗大幅降低；控制系统还检测牵引变电站其它非牵引负荷的谐波和无功分量，触发AC/DC变流模块在能力允许的情况下进行逆变，对这部分谐波和无功进行补偿，避免对电网的冲击和污染，以达到间接节能的目的[8—10]。

2 轨道交通节能控制模块功能解析

这种新型轨道交通供电系统的多目标综合控制节能方案的控制电路包括核心控制器、DC/DC本地控制器和AC/DC本地控制器，其中核心控制器包括核心控制功能模块、能量吸收集中控制功能模块、能量回馈集中控制功能模块。

2.1 能量回馈及吸收主电路

这种应用于轨道交通牵引变电站的新型节能方案采用大功率电力电子拓扑取代原有的24脉波整流电路，可以实现能量的双向流动，同时在直流牵引母线处并联一个三电平DC/DC变换器（也可并联多个），吸收一部分再生能量以备不时之需，同时综合控制2部分电路，可以达到系统整体性能最优。其原理主电路如图2所示。

2.2 控制电路的实现

整个轨道交通供电系统的多目标综合控制节能方案的控制电路示意图如图3所示。鉴于控制的模块众多，控制对象的复杂，系统的控制分为3层：最顶层为核心控制层，负责协调能量吸收和能量回馈2部分模块的能量分配；中间层分别为能量吸收和能量回馈的集中控制，负责电力电子器件的脉冲分配和功率模块的故障处理；最底层为功率模块的本地控制器，负责接收上层的下发命令、数据采样，控制本系统的功率器件及上传必要控制检测信号。

其中，各部分控制器实现方法如下：

（1）核心控制器的核心控制功能模块由DSP（数字信号处理器）实现：其输入端是轨道交通变电站其他非牵引负荷采样、直流牵引母线采样的电压、电流信息，以及各DC/DC模块的独立电容器组电压信息，这些信息由传感器获取；其输出端与能量吸收集中控制功能模块相连，输出能量吸收、释放命令信号，同时与能量回馈集中控制功能模块相连，输出能量回馈、无功、谐波补偿命令信号。

图2 轨道交通制动能量回馈及吸收方案主电路拓扑

图3 节能式轨道交通供电系统控制电路示意图

（2）核心控制器的能量吸收集中控制功能模块由FPGA（现场可编程门阵列）实现：其输入端与核心控制功能模块相连；其双向输入、输出端与DC/DC本地控制器通过光纤相连，输入反馈的检测信号和采样数据，输出上层控制命令信号。

（3）核心控制器的能量回馈集中控制功能模块由FPGA实现：其输入端与核心控制功能模块相连；其双向输入、输出端与AC/DC本地控制器通过光纤相连，输入反馈的检测信号和采样数据，输出上层控制命令信号。

（4）DC/DC本地控制器由DSP实现：其双向输入、输出端与能量吸收集中控制功能模块通过光纤相连；IGBT控制输出端与DC/DC模块的驱动电路相连，输出驱动控制信号。

（5）AC/DC本地控制器由DSP实现：其双向输入、输出端与能量回馈集中控制功能模块通过光纤相连；IGBT控制输出端与AC/DC模块的驱动电路相连，输出驱动控制信号。

2.3 三电平控制回路

鉴于现有地铁的牵引母线直流电压等级为1 500 V，因此该电路采用双向三电平Buck⁃boost型DC/DC变换电路。该电路开关管电压应力只有牵引母线直流电压的1/2，输出滤波电感小，动态响应快。机车制动给电容器组充电时该电路工作在Buck降压模式，当电容器组放电时该电路工作在Boost升压模式。图4（a）所示为三电平AC/DC模块的电路拓扑，该拓扑即二极管钳位的电压型PWM整流器，每个桥臂由2个全控型器件IGBT串联构成，而每个半桥的2个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧的电容器组的中点N相连。其优点是电路易于控制，且主开关器件仅承受一半的母线直流电压，适合于高压大容量的场合。另外通过合理控制各个IGBT的通断可使整流器的输入电流跟踪电压，提高其功率因数，抑制装置本身注入到交流电网中的谐波。同时，通过由直流侧到交流侧的逆变，最终可实现谐波、无功补偿的功能，以改善牵引变电站内的电能质量。

逆变回馈的主电路拓扑不仅可以实现能量的高功率因数双向流动，而且在该电路拓扑下，研究相应的控制技术使得轨道交通牵引负荷对电网的影响达到最小，同时又可以使该方案补偿无功以及抑制谐波。

3 轨道交通实际运行模拟分析

轨道交通列车进出站的能量在主电路中的流动分为以下几种情况：

（1）列车进站

当机车进站时（如图4所示），机车减速，其动能转化为电能返还到直流母线上，电容器组a电压上升，先通过DC/DC模块向电容器组b充电储能，在此阶段AC/DC模块是闭锁的。当电容器组b达到电压上限值后，电能通过AC/DC模块返还到交流电网中，此时DC/DC模块是闭锁的。

（2）列车出站

当机车出站时（如图5所示），机车加速，电容器组b的储能通过DC/DC模块返还到直流母线上，电容器组a电压上升，直流母线上的电能转化为机车的动能，在此阶段AC/DC模块是闭锁的。当电容器组b的电压低于下限值后，DC/DC模块闭锁，交流电网中的电能通过AC/DC模块输送到直流母线上。

（3）正常运行（平衡状态）

机车正常运行于平衡状态下（如图6所示），交流电网中的电能通过AC/DC模块输送到直流母线上，电容器组a电压上升，直流母线上的电能转化为机车的动能。电容器组a与电容器组b中的储能通过DC/DC模块达到能量的动态平衡，以使电容器组b电压维持在定值。

图4 机车进站能量流动图

图5 机车出站能量流动图

图6 机车平衡状态下能量流动图（电容器组b电压维持定值）

4 结论

本文基于多目标的控制模式对新型轨道交通的节能运行进行了分析，不仅通过电力电子技术解决轨道交通制动能量再生利用的问题，而且通过主电路拓扑的改进，控制上同时采集牵引变电站其它负荷电流的值，达到降低线路损耗节能的目标。结果表明这一新型多目标综合控制方案在节能方面具有以下4点可取性。

（1）不仅实现了能量的再生制动，将轨道交通再生制动能量回馈电网或用电容存储，可大幅减少制动能量消耗，还通过部分吸收能量、部分回馈能量来克服所有再生制动能量瞬时回馈电网对电网的冲击。

（2）实现了对牵引变电站谐波及无功的补偿，可以改善轨道交通变电站的电能质量，间接起到节能功效。

（3）通过自身的高功率因数整流减少了节能方案对交流电网的谐波污染，并间接起到节能功效。

（4）解决了现有电容储能型制动技术中对储满电能后必须释放消耗的限制，提升了节能效果

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Low carbon rail transit control mode based on integrated multi⁃objective control model

YUAN Tian1，2
（1.Maintenance Branch,Zhenjiang Work Zone,Jiangsu Electric Power Company,Zhenjiang 212000，China；2.Southeast University,Nanjing 210096,China）

In response to low carbon,the paper presented a novel low carbon rail transit control mode based on integrated multi⁃objective control model.Traditional rectifier circuit was replaced by controllable high power factor rectification of AC/DC converter module for energy flow,and parallel form of multiple AC/DC con⁃verter modules were used to expand the program capacity.One or more paralleled DC/DC converter modules were set in DC traction bus,so the locomotive braking power can be feed back to the grid partly through the AC/DC module,and partly stored to indepen⁃dent capacitors through the boost DC/DC module.The conclusion showed that the program can not only make full recovery and use of braking energy,but also reduced the impact of instantaneous ener⁃gy on power grids through all absorbed energy.At the same time,harmonic and reactive power compensation on traction substation may greatly improve the power quality and energy efficiency of rail transit in all aspects.

multi⁃objective integrated control；rail transit；controllable high power factor

TK018；F407.61

C

1009-1831（2012）02-0033-04

2011-10-19

袁田（1985），男，江苏镇江人，工程硕士研究生在读，研究方向为电力系统规划和可靠性、电力系统稳定和控制。