储能型再生制动能量并网技术的研究

毕大强 张秋瑞 葛宝明

(1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室，100084，北京;2.北京交通大学电气工程学院，100044，北京//第一作者，高级工程师)

城市轨道交通站间距离较短，列车起动制动频繁，会产生非常可观的再生制动能量。目前这部分能量主要被电阻以发热的形式消耗掉，在造成能源浪费的同时也污染了环境。

目前，储能和逆变是再生制动能量循环利用的主要方式。储能的代表技术主要有蓄电池储能、电容储能和飞轮储能3 种。能量回馈的代表技术主要是逆变至中压网络和低压负荷 2 类［1-2］。文献［3］、文献［4］研究了基于超级电容储能系统的吸收技术。采用储能系统可以缓冲再生制动能量对交流电网的冲击，列车牵引时，储能系统放电，防止直流牵引网电压跌落较大;列车再生制动时，吸收再生制动能量，实现能量的循环利用。但是，储能系统完全吸收再生制动能量须满足以下2 个条件:能够储存较多的再生制动能量;能够吸收兆瓦级以上的充电功率。而超级电容器的能量密度相对较低，因此需要增大超级电容器组的体积，这会增加设计成本，也会占用宝贵的车下空间。蓄电池储能系统，其容量比超级电容大，但是充放电速率较慢，且电池寿命较短，大量使用会对环境造成污染［5］。飞轮储能系统具有效率高、充电快捷、高储能量等优点，可以实现再生制动能量循环利用，但是飞轮的质量较大、摩擦损耗问题严重，并且维护费用昂贵［6］。文献［7］、文献［8］研究了再生制动能量并网利用技术，通过并网逆变器回馈给交流电网得以循环利用，但是列车再生制动时，再生制动功率直接上升到峰值附近，呈现尖峰状，如果直接回馈给交流电网，则对电网产生较大的冲击，将产生丰富的谐波。本文针对并网型和配有储能装置的不可控整流的再生制动能量利用系统的优缺点，设计了储能型再生制动能量并网系统，对再生制动能量处理时，并网方案与储能方案互相补充，提高性能。该方案在列车起动时，储能系统能够释放能量，给列车供电;在列车制动时，可以使大部分能量通过并网逆变器回馈给交流电网，而储能系统只用来吸收多余的少部分制动能量，因此超级电容的体积和成本都可大大降低。另外，由于储能系统的参与使回馈的再生制动能量对交流电网的冲击大大减小，入网电能质量得到改善。本文在该方案的基础上研究再生制动能量的分配，对DC-DC 变换器和DC-AC 变换器设计了单独的控制策略;并在试验验证的基础上给出了储能优先和并网优先的控制策略，进行仿真分析和对比。

1 储能型再生制动能量并网系统的设计

列车再生制动时，直流牵引网电压升高，通过储能型再生制动能量并网系统控制并联在直流侧的DC-AC 逆变器和双向DC-DC 变换器，把列车再生制动时产生的能量一部分回馈给交流电网中，另一部分储存到超级电容中，能够实现再生制动能量的再利用和维持直流牵引网电压的稳定的作用，防止再生制动失效。

图1 是储能型再生制动能量并网系统的主电路结构图。该系统由三相交流电源经降压变压器降压后与二极管构成不可控整流来模拟变电所直流牵引供电系统，整流器输出24 脉动DC 750 V 电压到直流牵引供电网;电路后端加入了逆变器和电机，通过控制电机运行的不同状态来模拟机车运行工况。

图1 储能型再生制动能量并网系统的主电路结构图

储能型再生制动能量并网系统采用双向DC-DC 变换器和电压型PWM 逆变器2 个功率变换器。当列车起动、直流牵引网电压低于预设值时，超级电容通过双向DC-DC 变换器开始放电，降低直流牵引网电压的跌落。当列车再生制动时，则分为并网优先和储能优先2 种情况:

(1)并网优先控制:当直流牵引网电压首先超过并网系统预设值时，并网逆变器开始启动，再生制动能量回馈给交流电网;当超过储能系统的预设值时，储能装置启动，并网逆变器不工作，再生制动能量通过双向DC-DC 变换器储存到超级电容组中。

(2)储能优先控制:当直流牵引网电压首先超过储能系统的预设值时，储能装置启动，此时再生制动能量通过双向DC-DC 变换器储存到超级电容器组中;当超过并网系统的预设值时，并网逆变器工作，超级电容储能系统不工作，再生制动能量回馈给交流电网。

储能型再生制动能量并网系统，在列车牵引时，储能系统放电，防止直流牵引网电压跌落较大，发生事故;在列车再生制动时，储能系统的参与，使再生制动能量逆变回馈时减小对交流电网的冲击;同时并网系统的参与也减小了超级电容的容量和体积，节约了成本。

2 控制策略

再生制动能量在并网系统与储能系统之间的分配可以有多种分配方法，主要通过控制直流牵引网电压来实现2 个系统之间的切换。本文主要研究并网优先和储能优先2 种控制策略。

2.1 并网优先控制策略

图2 是并网优先控制策略流程图。列车起动或者加速时，当牵引网电压UDC＜740V 时，超级电容开始放电，补偿牵引网电压的跌落;再生制动时，制动能量使牵引网电压升高，当电压750 V≤UDC＜850 V 时并网系统启动，再生制动能量回馈给交流电网;当UDC≥850 V 时储能系统启动，吸收剩余的再生制动能量。图3a)、b)分别是储能系统和并网系统启动时的逻辑判断。

2.2 储能优先控制策略

图4 是储能优先控制策略流程图。列车起动或者加速，牵引网电压UDC＜740 V 时，储能系统开始放电，补偿直流牵引网电压的跌落;再生制动时，牵引网电压750 V≤UDC＜830 V 时，超级电容通过双向DC-DC 变换器吸收再生制动能量;当UDC≥830 V时并网系统启动，回馈剩余的再生制动能量。图5a)、b)分别是储能系统和并网系统启动时的逻辑判断。

文中对电压源型逆变器采用输出电流控制，在电网电压矢量同步旋转的d-q 坐标系下，应用同步矢量电流PI 控制器对逆变器输出电流实施闭环控制，实现有功和无功的解耦控制，达到逆变器输出单位功率因数的并网目的［9-12］。图6 是DC-AC 控制框图，外环是直流电压环，内环是电流环，通过控制电压型逆变器，使再生制动能量回馈到电网中，实现能量的循环利用。

图2 并网优先控制策略下的流程图

图3 储能优先情况下的控制策略

图7 是双向DC-DC 变换器的控制框图。控制的主要目的是减小牵引网电压波动。控制系统采用的是电压外环和电流内环的双环控制结构，使储能系统主要运行在充电和放电2 种状态。

图4 储能优先控制策略下的流程图

图5 并网优先情况下的控制策略

图6 DC/AC 控制框图

图7 双向DC-DC 变换器控制框图

3 仿真分析

3.1 仿真参数

搭建了储能型再生制动能量并网系统仿真模型进行分析。仿真参数:①模拟牵引供电系统参数——三相交流电源电压幅值E =10 kV，频率f =50 Hz;②线路参数——线路电阻 R =0.01 Ω，线路电感 L=0.2 mH，直流侧电容 C=12 400 μF;③电网侧参数——电网线电压380 V，滤波电感10 mH;④直流侧参数——超级电容C=50 F，滤波电感L=4.17 mH;⑤开关频率fs=10 kHz。

3.2 仿真结果

图8 是系统投入前后牵引网电压的对比图，其中图8a)、b)分别是采用储能优先和并网优先控制策略的直流牵引网电压的仿真结果(UDC1、UDC2和UDC3)。当列车启动或者加速时储能系统能够一定程度防止牵引网电压跌落，制动时均能维持牵引网电压的稳定。

图9 是再生制动能量并网时逆变器输出的并网电流和电网电压，图9a)、b)分别是储能型再生制动能量并网系统储能优先和并网优先控制策略逆变器输出电流的仿真波形(Ia1和Ia2)。图中A 点(1.1 s)并网系统启动，再生制动能量回馈给电网，由图可知Ia1和Ua同相位，功率因数较高。图中B 点(1.02 s)并网系统启动，由图可知Ua和Ia2同相位，功率因数较高。

图8 直流牵引网电压

图9 并网电流

分别对图9a)、b)启动瞬间1 个周期(0.02 s)进行谐波分析，其电流的谐波畸变率分别是rTHD1=11.42%和 rTHD2=16.79%，结果验证了上述分析。即:列车再生制动时，再生制动功率呈现尖峰状，直接上升至峰值附近，对交流电网产生一个较大的冲击，将产生丰富的谐波。可知，当列车再生制动时，通过储能装置吸收尖峰状的再生制动能量，当再生制动能量平缓时再回馈给交流电网，减小制动能量对电网的冲击。仿真结果表明，储能优先控制比并网优先控制策略更适合于轨道交通再生制动能量回收。

4 试验分析

结合实验室现有设备和条件分别搭建了储能和并网系统试验平台。

4.1 储能型试验

储能系统试验平台由74F 超级电容器模组、DC-DC 控制电路和单相电阻箱构成，完成了储能系统Buck 和Boost 工作模式的试验。图10a)、b)分别是Boost 和Buck 试验主电路结构图。其中:超级电容端电压UDC=12 V，直流电感L =3 mH，负载电阻R=12 Ω，预充电电阻 R0=100 Ω，稳压电容 C0=470 μF。

图10 试验主电路结构图

图11a)、b)分别是Boost 和Buck 电路的试验结果，图11a)电压从12 V 升压至24 V，图11b)电压从30 V 降压至15 V，双向DC-DC 变换器实现了升降压功能，为防止IGBT 上下桥臂发生导通从而烧坏，设置了死区，为 10 μs。

4.2 并网型试验

结合实验室现有的条件，对本文提出的DC-AC电压外环和电流内环的控制算法进行小功率的试验验证。图12 是试验的主电路拓扑结构图，图13a)是动态试验波形。试验结果表明:B 点时刻逆变器启动，直流母线电容电压下降，如图中A所示，最后稳定在44 V 左右。图中示波器:Ua，每格为10 V;UDC，每格为 20 V;Ia，每格为 10 A;Idc，每格为 10 A;t，每格为500 ms。图13b)是稳态试验波形，试验结果表明:直流母线电容电压UDC为44 V，电流IDC为6 A，逆变器输出电流为6 A 且和电压同频同相，实现了单位功率因数并网。图中示波器:Ua，每格为10 V;UDC，每格为20 V;Ia，每格为 10 A;IDC，每格为 10 A;t，每格为 10 ms。

图11 试验结果

图12 试验主电路拓扑结构图

图13 试验结果

5 结语

本文利用超级电容储能系统的优点，结合列车再生制动时制动能量的特点，设计了储能型再生制动能量并网系统。列车起动时，储能系统通过双向DC-DC 变换器放电;再生制动时，储能系统和并网系统共同参与对再生制动能量的吸收。提出了并网优先和储能优先2 种控制策略。通过理论分析和仿真，验证储能优先控制策略优于并网优先控制策略，即:提高了再生制动能量利用率，减小了再生制动能量对电网的冲击，有效抑制了直流牵引网电压的波动，改善了系统效率。试验结果进一步验证了控制策略的正确性和有效性。

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