1500V城市轨道交通锂电池储能系统的应用＊

胡婧娴 宋文吉 林仕立 冯自平

（1.中国科学院广州能源研究所，510640，广州；2.中国科学院大学，100049，北京∥第一作者，硕士研究生）

城市轨道交通车辆无论采用旋转电机或直线电机，其制动模式大多采用电气制动（再生制动／电阻制动）＋空气制动（盘形制动／轮对踏面制动）互补的形式［1］。再生制动时，牵引电动机处于发电机工况，再生电能通过VVVF逆变器反馈至直流牵引网。牵引网获得的再生电能除小部分被车辆电气设备利用外，其余被供电网上其他车辆或电气设备吸收利用。

轨道交通供电系统整流设备具有不可逆性，当线路上没有足够的负载吸收再生电能时，过剩的再生电能会抬升供电网电压，当其超过安全电压后，会引起再生制动失效。对这部分再生电能，国内大部分轨道交通系统使用车载设置的电阻器以热耗散形式消耗，以保证牵引网安全供电。由于制动电阻体积大，且其热耗散会引起隧道温升，采用该方法需要专门的电阻器设置场所及通风散热设备，增加运行费用的同时造成了能量的浪费，降低了能量利用率。根据经验，列车再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的30%甚至更多［2］，仅有30%～50%的制动能量能够得到利用［3］。如何高效回收利用车辆再生电能成为城市轨道交通研究的新焦点。

目前，可用于城市轨道交通的储能形式主要有锂离子电池储能、超级电容储能和飞轮储能。其中，锂离子电池作为近年来发展较快的储能元件，其容量等级和功率等级均可以满足轨道交通再生制动能量吸收释放的要求。另外，与超级电容、铅酸电池相比，锂离子电池具有能量密度高的优点，可实现装置的小型化、轻量化。因此，选择快速充放电且长寿命的锂电池可以满足电气化轨道交通使用要求［4］。

广州地铁4号线线路坡度大、曲线半径小且运量为中小运量，是国内第一条采用直线电机车辆的线路［5］。降低车体质量对直线电机牵引的地铁尤为重要。所以，广州地铁4号线采用了地面制动电阻装置吸收再生能量［6］：使用交流传动系统和脉宽调制技术的牵引VVVF逆变器实现牵引、再生制动控制［7］，线路上设置地面电阻器消耗再生电能。

本文针对DC1 500 V的地铁直流供电系统，研究锂电池储能系统的稳压运行设计方案，并以广州地铁4号线为例进行仿真，为电池储能系统的应用研究奠定基础。

1 锂电池储能系统

1.1 锂电池轨道交通储能系统

城市轨道交通锂电池储能系统如图1所示，主要由双向DC／DC变换器、控制器、锂电池组等元件组成。其中，锂电池单体由设定的串并联方式联结组成锂电池组；锂电池组通过双向DC／DC变换器连接至牵引网两端；控制器处理由传感器传回的牵引电网和锂电池组的状态监测信号，通过控制双向DC／DC变换器IGBT1和IGBT2的导通率，来控制牵引网与锂电池组之间电能的流动，实现对锂电池组充放电的自动控制。

图1 轨道交通储能系统

储能装置可安装于车辆上，称为车载式；也可安装于地面或隧洞专用机房内，称为地面式。本试验中采用地面式。储能装置额定电压为DC1 400～1 800 V，额定容量为160 Ah，额定功率为240 kW。牵引电网额定电压为DC1 500 V。

1.2 锂电池储能系统控制策略

车辆运行过程中有牵引起动、惰行、制动三种模式，引起牵引网电压降低、恒定、上升的动态变化，分别对应储能系统释放电能、待机、吸收电能三种模式。因此，选取牵引网电压值U0为控制变量。

车辆加速起动过程中，电动机为牵引工况，通过VVVF逆变器从牵引网获取电能。当储能系统监测到U0小于控制器设定的下限电压值Umin时，双向DC／DC变换器IGBT1关断、IGBT2导通（为锂电池组向牵引网单向导通），将锂电池组电能变换至牵引网所需电压范围向牵引网供电，作为辅助电源维持牵引网电压在下限电压值之上。车辆惰行过程中，车辆与牵引网无能量交换，牵引网电压无变动，储能系统不启动，处于待机状态。再生制动过程中，车辆电动机为发电机工况，将车辆动能转化为电能，所获得的再生电能通过VVVF整流后反馈到牵引网上。当储能系统监测到U0大于控制器设定的上限电压Umax时，双向DC／DC变换器IGBT1导通、IGBT2关断（为牵引网向锂电池组单向导通），将牵引网电能变换为锂电池组充电所需电压电流范围，给锂电池组充电。即储能系统吸收再生电能，维持牵引网电压在上限电压值之下。

2 仿真系统

为验证以控制网压为目标的锂电池组储能系统控制算法的有效性，利用MATLAB／SIMLINK搭建了单列车、单变电所仿真平台，进行仿真验证。

2.1 车辆与牵引供电网

为简化分析，采用等效戴维南电路或诺顿电路模拟轨道交通牵引变电站，如图2所示。

图2 车辆与牵引网等效模型

（1）牵引电网使用戴维南等效电路模拟牵引变电站输出，用一个理想电压源US和内阻Req来表示；根据牵引变电站不控整流的理想外特性曲线来拟合24脉波整流器电路：

根据广州地铁4号线实际情况，取US＝1 669 V，Req＝0.041 6Ω；牵引电网额定电压（U0）为 DC 1 500 V，波动范围为DC1 400～1 800 V；设定牵引网上限电压Umax＝1 730 V，下限电压Umin＝1 450 V。

（2）使用可控电流源，通过控制信号模拟车辆制动、起动时与牵引网的电能交换情况；使用电阻R1等效牵引网上其他电气负载，考虑到实际运行中再生制动能量的30%～50%可以被车辆自身或其他车辆吸收利用，取R1＝2.25Ω。

·加速起动工况：根据4号线直线电机特性，速度小于35 km／h为恒牵引力模式，速度在35～90 km／h之间为恒功率模式，考虑到4号线车辆单位阻力模型R＝20.286＋0.382 2×v＋0.002 058×v2（N／kN），忽略低速时阻力变化，认为速度在0～35 km／h时牵引功率由0直线上升至960 kW。

·制动工况：车辆以恒制动力制动以－1 m／s2的加速度由90 km／h减速至0km／h，设反馈至牵引网最大再生制动功率为1 000 000 W，车辆制动输出功率由最大值向0W呈直线下降趋势。

2.2 电池组

锂电池单体额定电压低，容量较小，不能直接应用于1 500 V电压、较大容量的储能系统，需通过特定的串并联方式组合成电池组。

本文采用额定电压3.2 V、容量20 Ah的锂电池单体，通过216串联、8并联的方式组成额定电压692 V、容量160 Ah的电池组。其模型如图3所示。电池组内阻r为0.007 87Ω，最大充放电倍率为10C，其充放电特性如图4、5所示。锂电池组为恒压充放电方式，充满电状态为788 V，放电完全状态为605 V，可用SOC（剩余电量与额定电量之比）范围20%～80%。

图3 锂电池组模型

图4 锂电池组放电特性

2.3 双向DC／DC变换器

如图6所示，双向DC／DC变换器采用半桥直流斩波电路，滤波电感1 mH，IGBT开关频率1 000 Hz。

图5 锂电池组充电特性

图6 双向DC／DC变换器

2.4 储能系统控制器

如图7所示，控制器通过使用外电压内电流双环控制DC／DC输出，从而控制储能装置的开关动作。其原理是：

（1）再生制动工况下，牵引网电压U0与设定的Umax进行比较，根据其差值得到逻辑判断信号，当U0＞Umax时信号为1；加速起动工况下，U0与设定的Umin进行比较，根据其差值得到逻辑判断信号，当U0＜Umin时信号为1。其余时刻信号为0。信号为1可以启动储能装置，信号为0不启动储能装置。

（2）比较DC／DC变换器输出端电压Uout与设定的电池组充电电压UBattery，得到电压误差ΔU，经电压调节器输出给定电流I，I与反馈电流IBattery进行比较，得到电流误差ΔI，经电流调节器，获得双向DC／DC变换器中IGBT的PWM（占空比）信号。

图7 控制器

综合判断（1）中逻辑信号、（2）中PWM信号获得控制信号输出。

3 仿真结果

（1）4号线的实际情况仿真。当前4号线无储能系统，车辆使用地面设置的电阻器消耗再生电能。图8为电阻式制动牵引网电压波动情况。车辆于1 s时开始再生制动，牵引网电压升高；制动时，电网电压被稳定在1 800 V以下。

图8 电阻式制动牵引网电压

（2）再生制动工况。车辆于1 s时开始再生制动，储能系统开始吸收再生电能，抑制牵引网电压升高至1 800 V以上，防止再生失效。再生制动起始时刻及制动过程中牵引网电压如图9及图10所示。

图9 再生制动起始时刻牵引网电压

图10 制动过程牵引网电压

车辆制动起始时刻，U0急升高至1 780 V后逐渐回落，并维持在1 800 V以下，最后稳定在1 630～1 760 V范围内。电池组充电情况如图11及图12所示，电池组最大充电电流为1 300 A，最大充电倍率小于10C，达到设计要求。

图11 制动过程锂电池组充电电流变化

图12 制动过程锂电池组充电SOC变化

（3）加速起动工况。车辆于1 s时开始进入加速起动工况，储能系统向牵引网释放电能，抑制牵引网电压下降至1 400 V以下，防止网压过低导致电气设备故障。加速起动过程中牵引网电压如图13所示，电压下降至1 450 V后趋于平稳，在1 415～1 455 V之间波动。电池组释放电能过程中，最大放电倍率为5C，放电电压在730～750 V之间（见图14），达到设计要求。

图13 加速起动过程牵引网电压

图14 加速起动过程电池组状态