城市轨道交通超级电容储能装置控制策略

叶兰兰, 邹 凯, 宋 立

(武汉地铁运营有限公司, 武汉 430030)

城市轨道交通超级电容储能装置控制策略

叶兰兰, 邹 凯, 宋 立

(武汉地铁运营有限公司, 武汉 430030)

以城市轨道交通地面式超级电容储能装置为背景，针对空载电压波动下的储能装置阈值选择问题进行探讨，首先分析城轨供电系统中空载电压波动对再生能量回收的影响:1) 更改储能装置放电电压指令，可以改变储能装置和整流机组能量输出的功率比例；2) 传统恒定阈值放电策略将放电指令与放电阈值固定，因此储能装置放电时不能做到对放电功率的控制；3) 采用固定阈值放电策略时，空载电压值的变化会影响储能装置放电输出能量的大小。然后提出充放电阈值动态调整控制策略，实验结果表明，对于不同的空载电压，改进后的控制策略可以根据空载电压放电指令进行动态调整，使储能装置与整流机组的能量输出比例恒定，从而维持放电时放出的能量不随空载电压的波动而变化。

城市轨道交通； 超级电容； 供电系统； 充放电阈值； 控制策略

1 研究背景

城市轨道交通以其速度快、运量大、安全准时的特点，在世界各国的公共交通中都占有重要地位。采用交流牵引传动系统的车辆也得到了广泛应用，城轨交通系统向着更加绿色节能的方向发展。城轨交通节能主要通过两个方面进行：一方面是通过提高供电系统及负载的效率减少损耗；另一方面是充分利用再生制动降低变电所的输出。再生制动技术可以将列车制动时的动能转换成电能反馈回牵引网，既可以减少机械制动时闸瓦的磨损，又可以回收制动能量，是一种有效降低地铁牵引能耗的方式。研究表明再生制动可以反馈消耗能量的30%～40%，但是由于现阶段牵引变电所二极管整流的单向性和列车对再生电流的限制，导致再生制动能量不能得到有效的利用[1-4]。因此，再生能量的回收再利用研究显得十分重要。

图1 配置储能装置的城轨供电系统结构Fig.1 Structure of urban rail power supply system with energy storage device

近些年出现的再生制动能量回收方式主要有两类，一类是逆变回馈式，另一类是储能式。逆变回馈方式主要是将再生制动能量通过逆变器从直流牵引网回馈至交流电网；储能方式是将再生制动能量暂时储存在储能装置内，在列车牵引时放出以达到能量循环利用的目的。根据能量回收装置储能元件的不同，可以分为电池型、超级电容型、飞轮储能型、锂电容储能型等。与逆变回馈方式相比，储能方式虽然有装置体积大、造价较高的缺点，但是也因为其不与交流电网相连接，有不受电网容量谐波要求限制的优点。与其他储能元件相比，超级电容有功率密度高、动态性能好、寿命长等优点。作为缓冲装置，它在能量回收、功率补偿等方面有广泛的应用，其作为城轨交通再生制动能量回收方案的一种也受到了广泛关注。研究人员针对储能装置的系统总体设计、控制策略、容量配置与安装位置选择等进行了广泛研究，提出了双向DC/DC变流器加超级电容模组的基本结构，电压电流双闭环、三闭环等控制策略，基于城轨供电计算的容量配置方法等[5-8]。

在实际工程中，通常以牵引网电压作为装置充放电状态切换的依据，状态切换阈值的不同会对装置能量回收效果带来影响。本文分析了城轨供电系统中空载电压波动对再生能量回收的影响，并提出充放电阈值动态调整控制策略，最后进行了实验验证。

2 供电系统特性与储能装置工作原理

2.1供电系统特性

配置超级电容储能的城轨牵引供电系统示意图如图1所示，系统由牵引变电所、牵引网、城轨列车、超级电容储能装置(ESS)等组成[9-11]。牵引变电所是城轨列车牵引的主要能量来源，其能量只能从交流电网流向直流牵引网。列车作为城轨系统的主要负载，其能量流动呈现双向特性，即牵引时消耗能量，再生制动时向牵引网反馈能量。地面式超级电容储能装置通常放置于牵引变电所内的高压侧输出端并接在变电所直流母线上，为保持城轨供电系统的电压稳定，储能装置根据牵引供电系统功率流动状况进行充放电动作。

2.2超级电容储能系统工作原理

对于结构如图2所示的超级电容储能装置，超级电容作为储能装置的储能元件，用于储存剩余再生制动能量；双向DC/DC变流器作为超级电容与供电网之间的接口，为超级电容充放电，以保证直流牵引网的功率平衡，维持网压稳定。

图2 地面式超级电容储能系统结构Fig.2 Structure of ground type super capacitor energy storage system

双向DC/DC变流器工作原理如图3所示，变流器高端并接在变电所直流母线上，低端与超级电容相连。当变流器上管S1动作时，变流器工作在Buck模式(直流电压变换电路中降压电路的一种，一般是电池充电时，较高的母线电压向较低的电池电压变换)，从牵引网吸收能量为超级电容充电。当变流器下管S2动作时，其工作在升压状态，此时超级电容放电。双向DC/DC变流器通过检测变电所输出电压，判断储能装置的工作状态。当变电所输出电压高于充电阈值Uchar时，储能装置切换至充电状态，自动调整充电功率，维持电压在直流电压Udc附近；当变电所输出电压低于放电阈值Udischar时，储能装置放电，维持在Udichar附近；当牵引网电压在充放电阈值之间时，储能装置待机(见图4)。

图3 双向DC/DC变流器工作原理Fig.3 Working principle of bidirectional DC/DC converter

图4 储能装置充放电策略Fig.4 Charging and discharging strategy of energy storage device

根据储能装置控制策略和自身特性，对其外特性进行数学描述如下[9-11]：

(1)

其中，IESS为储能装置电流，Udc为直流电压，Ucontrol为直流控制电压，PESSlimit是储能装置的功率限值，Pdeta是储能装置维持网压稳定需要吸收或放出的功率，当这一功率小于或等于储能装置提供的最大功率时，变电所输出电压能被钳位在电压指令值上；当这一功率大于储能装置输出的最大功率时，则变电所电压不能被钳位。

3 空载电压波动对再生能量回收的影响

根据IEC60146—1—1—2009标准规定，10 kV交流电网电压的偏差范围为±7%，35 kV交流电网的电压偏差为±10%。整流变压器副边输出会随电网电压而波动，当波动值δ=7%时，直流侧空载输出电压为880 V；当波动值δ=-7%，直流侧空载输出电压为771 V。因此，直流空载电压输出范围为771 V～880 V。

设原空载电压为Ud0，放电阈值为0.95Ud0，若空载电压Ud1=1.07Ud0、放电阈值不变，则此时放电阈值Udischar=0.89Ud1。整流机组输出功率Pthreshold随放电阈值变化如图5所示，随着放电阈值远离空载电压，整流机组放出的功率增大。图6为实际变电所输出电流随时间变化的曲线，通过观察可以发现，随着放电阈值的下降及整流机组输出电流(输出功率)的提升，储能装置放电功率和时间均会减少，从而引起放电能量的减少。相反，如果空载电压升高接近放电阈值，在放电阈值不变的情况下，储能装置出力比例和放电时间均将增加，超级电容放电深度变大。

图5 整流机组功率与放电阈值关系Fig.5 Relationship between discharge power and discharge threshold of rectifier unit

图6 实际变电所电流Fig.6 Substation current

超级电容的放电深度变化在一定程度上影响储能装置能量回收的效果，可以从放电深度不足和放电深度过大两个方面进行分析。如果装置放电深度不足，将会导致超级电容剩余容量不足以储存再生能量，这种情况的发生会明显降低再生能量的吸收效果；而如果装置放电深度过大，由于电容的最低电压限制，虽然不会将其能量全部放出，但会使电容一直工作在低电压范围。电容工作电压的下降首先会增大其工作电流，使其效率降低，其次由于电容最大持续电流的限制，会令储能装置最大充放电功率降低。若吸收功率不满足再生制动的需求，会使得再生制动失效。因此，面对空载电压波动，如何减少其影响并通过对放电功率能量的合理控制来调整装置放电深度成为控制策略优化的重要部分。

4 充放电阈值动态调整控制策略

本文提出了一种基于动态阈值调整的控制策略，如图7所示。该控制策略不仅可以实现对空载电压的实时跟踪，还能够根据变电所空载电压的变化及线路阻抗进行充电阈值的实时变化，并能够对储能装置的出力进行控制，达到装置充放电能量平衡的效果。

图7 动态调整控制策略Fig.7 Dynamic adjustment control strategy

控制器对10 kV电压进行检测，根据变电所输出特性公式，可以得到变电所特性中Ud0、Ud1以及Ig的值，结合变电所等效内阻Req1、Req2可以确定变电所输出特性，再根据预先设定的Pthreshold及出力系数α进行放电阈值的计算，见式2。

Udischar=

(2)

其中，出力系数α，即储能装置输出电流比例α，为储能装置输出电流占总负载电流的比例；Udischar为储能装置的放电阈值；Udischar0为储能装置空载的放电阈值，由Pthreshold确定；IESS为储能装置电流；Req为储能装置等效电阻；Ud为变电所电压。当变电所空载电压确定时，变电所输出特性将被确定，其输出电压是输出功率的函数。当负载功率Pload大于Pthreshold时，储能装置启动，随着负载功率的上升，装置出力系数持续上升，当装置出力系数达到预定值时，进入恒出力系数控制模式，装置保持出力系数不变。

5 实验结果及分析

实验中变电所空载电压约为870 V，图8为相同放电阈值840 V时不同充电阈值下储能装置工作情况比较：(a)情况下，充电阈值为890 V，由于充电阈值过高，接近车辆制动电阻的启动值，制动能量全被制动电阻吸收，装置不能正常充电，超级电容电压一直处于工作下限；(b)情况下，充电阈值为883 V，高于空载电压13 V；(c)情况下，充电阈值为875 V，接近空载电压。对(b)(c)两次实验波形进行比较，发现充电阈值接近空载电压时，储能装置充电频率和深度都有所提升，但(b)情况并未产生再生失效，说明再生制动能量被相邻列车吸收，而(c)情况下有更少的再生能量被邻车吸收。相比之下，(c)工况下储能装置不仅妨碍了再生能量被邻车吸收，还加重了储能装置的负荷。

图8 不同充电阈值下储能装置工作情况比较Fig.8 Comparison of energy storage devices under different charging thresholds

图9为相同充电阈值883 V条件下，调整放电阈值储能装置工作情况比较。图(a)(b)(c)充电阈值均为883 V，放电阈值分别为840 V、832 V、825 V时的实验波形。通过实验结果的比较可以看出，随着放电阈值的降低，储能装置放电时间与放电深度均变小，(b)(c)两次实验中均出现了释能不充分导致储能装置SOC(state of charge，荷电状态)饱和而不能充电的情况，并且随着放电阈值的降低，此现象更加严重。

图9 相同充电阈值条件下调整放电阈值储能装置工作情况比较Fig.9 Comparison of discharge threshold energy storage devices under the same charging threshold 883V

从实验结果看，超级电容储能装置的动态响应性能和正常充放电控制良好，已经可以稳定、可持续、自动地充放能量，实现节能稳压效果。

变电所空载电压存在波动，日间与夜间波动较大；且变电所电压波动频率与列车发车间隔密切相关(即随时间变化)，所以，超级电容储能装置必须设计更为智能的程序，可以实时识别变电所电压特性(控制电压和波动频率)，并选择最好的控制阈值进行充放电，提高节能率。

6 结论

本文首先分析了城轨供电系统中空载电压波动对再生能量回收的影响：1) 更改储能装置放电电压指令，可以改变储能装置和整流机组能量输出的功率比例；2) 传统恒定阈值放电策略将放电指令与放电阈值固定，因此储能装置放电时不能做到对放电功率的控制；3) 采用固定阈值放电策略时，空载电压值的变化会影响储能装置放电输出能量的大小。接着提出了充放电阈值动态调整控制策略，对于不同的空载电压，改进后的控制策略可以根据空载电压放电指令的动态调整，使储能装置与整流机组的能量输出比例恒定，从而维持放电时放出的能量不随空载电压波动而变化，最后进行了实验验证。

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Control Strategy for Super Capacitor Energy Storage Device of Urban Rail Transit

YE Lanlan, ZOU Kai, SONG Li

(Wuhan Metro Operation Co., Ltd., Wuhan 430030)

Taking the ground type super capacitor energy storage device of urban rail transit as the research background, the threshold selection of energy storage device under no-load voltage fluctuation is discussed. Firstly, the influence of no-load voltage fluctuation on regenerative energy recovery in urban rail power supply system is analyzed: 1) changing the discharge voltage command of the energy storage device can change the power ratio of the energy output of the energy storage device and the rectifier unit; 2) the traditional constant threshold discharge strategy keeps the discharge command and the discharge threshold fixed, so that the discharge power cannot be controlled when the energy storage device discharges; 3) when the fixed threshold discharge strategy is adopted, the change of the no-load voltage will affect the output energy of the energy storage device. Then the dynamic adjustment control strategy of charging and discharging threshold is put forward. The experimental results show that for different no-load voltage, the improved control strategy can dynamically adjust according to the no-load voltage discharge voltage command, retain the energy output ratio of the energy storage device and rectifier unit discharge so as to maintain the constant release of energy with no-load voltage fluctuations and changes.

urban rail transit; super capacitor; power supply system; charge and discharge threshold; control strategy

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.022

2016-06-18

2017-06-25

叶兰兰，女，硕士，助理工程师，从事地铁节能方面的研究，siyuxinlun@126.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0118-05

(编辑：王艳菊)