地面式锂电池储能系统抑制牵引网压波动研究

王越，秦斌

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

0 引言

城轨交通具有快速、安全、准时、运力大、舒适稳定和环保等诸多优点，在大中型城市中作为公共交通得到了广泛的应用。 随着新能源的快速发展，在城轨领域轨道交通环保、节能的优点已越来越受到人们的重视[1-2]。

在城市轨道交通系统中，当列车处于再生制动时，牵引电机相当于发电机，再生制动能量通过逆变装置馈送到直流牵引网。在此再生能量中，其中一部分由本列车的辅助照明系统吸收利用，还有部分能量由此线路上的其他列车吸收利用，当其没有被完全吸收并且产生大量过剩制动能量时，这部分能量将导致牵引网电压上升，当超过电压最高允许值时，再生制动失效，甚至损坏线网上电力设备。近年来，就再生制动能源的收集方面，中国大多数城市轨道交通系统使用车载电阻装置，将此部分能量以热能的形式消耗来降低网压。由于制动电阻体积大和隧道的散热，隧道温度会上升。采用此方法需要列车设置专门安放电阻器的场所，隧道中需要通风和散热设备，从而增加列车重量和运行成本，同时导致了能源的浪费并且降低了能源利用率。据统计，列车制动时产生的电能大约占列车牵引输入能量的30%左右[3]，仅有20%～80%的制动能量能够得到利用[4]。因此，再生制动能量非常可观，若用储能装置对此部分制动能量回收并利用，不但能降低网压，还能将起到显著的节能作用。

目前，已有诸多城市线路在地面设置了地面式储能装置，从而取消车载制动电阻，提高了车辆性能、改善了隧道环境并降低了车辆成本[5]。现阶段，城市轨道交通地面式能量回收装置主要为电池、飞轮与超级电容。其中锂离子电池在最近几年发展快速，其同时具备大容量和大功率的优点，满足轨道交通的能量要求。此外，与铅酸蓄电池、超级电容相比，锂离子电池可以实现装置小型化、轻量化，并且同时具备充放电快、使用寿命长的优点。所以，本文选择锂离子电池作为储能装置[6]。

本文以DC1500 V的城轨牵引直流供电系统为研究对象，分析锂电池的结构和充放电控制策略。通过搭建城轨交通牵引系统仿真平台，验证锂电池储能系统可以有效防止城市轨道交通牵引、制动网压的波动和再生失效问题。

1 牵引供电系统分析

1.1 城轨地面式电池储能牵引供电模型

城市轨道地面电池能量储存系统包括牵引变电所、直流牵引网、电池储能系统和列车。直流牵引网络主要包括上下行接触网/第三轨，上下导轨和导线，其整体结构如图1所示。首先牵引变电所将10 kV/35 kV的三相交流电整流至750 V/1500 V的低压直流电，上下行列车通过受电弓在接触网上获取能量。列车是城轨交通供电系统的主要负载，其能量流动具有双向性，牵引时消耗能量，制动时通过再生制动向牵引网反馈能量。电池储能系统安装在牵引变电所中并与直流电网并联连接，以通过DC/DC变换器控制直流电网与储能系统之间的相互能量传递。

1.2 牵引变电所特性

城轨交通牵引系统从10 kV/35 kV城市电网中获得交流电，通过牵引变电所降压变压器和二极管整流器将电压降至750 V/1500 V的直流电。为了降低直流侧电压纹波、减少交流侧谐波污染、提高功率因数，城轨交通牵引系统大多采用12脉波或24脉波整流器单元，24脉波整流机组由两台并联的12脉波整流单元组成，通过降压变压器移相+7.5°与-7.5°所得。在分析时，可将24脉波整流机组当做2个独立的12脉波整流器单元单独进行分析，从下式可得[7]

式中：Udc为整流单元输出电压；Idc为整流单元输出电流；Ig为临界电流；Udoo、Udio分别为整流单元两个区间的空载电压；Req1为等效串联电阻。

2 锂电池储能系统

2.1 锂电池组模型

由于城轨交通列车制动过程具有功率变化快和频繁制动的特点，本文中城市轨道交通地面式锂电池储能系统所使用的电池是钛酸锂离子电池。经典的电池模型为Rint模型，该电路模型建立在电池内部电动势和电阻的基础上，其结构简单，为其他电池建模的依据。本文采用改进的电池模型，改进后的电池模型由内阻和受控电压源组成，如图2所示。

图2 电池等效模型Fig. 2 Battery equivalent model

图2中，E为受控电压源，Rbs为串联内阻，ibat为电池输出电流，Ubat为电池输出电压。锂电池的输出电压为：

图1 城轨地面式电池储能系统的整体结构Fig. 1 The overall structure of the urban rail ground battery energy storage system

2.2 双向DC/DC变换器

储能系统拓扑结构如图3所示，其中双向DC/ DC变换器由IGBT1与IGBT2构成，用于控制储能系统的充放电，其作用是执行系统的电压等级变换和对储能系统的能量流动实行管理。IGBT0是对电池储能系统的开通与关闭进行控制，在备用状态下作为储能装置的总开关，主要为了防止电池组本身不受控自主的向直流牵引网放电；为了降低由开关器件产生的谐波，将L1和C组成低通滤波电路。该结构的优点为：控制电路简单，效率高且成本低。

图3 储能系统拓扑结构Fig. 3 Energy storage system topology

如图4中所示，根据储能装置运行状态的不同，DC/ DC变换器可分别工作在Buck、Boost2种模式[8]。

如图4(a)所示，当DC/DC处于Buck模式时，其主要功能是降低输出电压，列车处于再生制动状态，再生能量将使直流牵引网电压急剧上升，DC/ DC变换器处 Buck模式，并且IGBT1接通，当IGBT2断开时，斩波电感器L吸收车辆制动回馈的再生能量，然后IGBT1关断，通过IGBT2的续流二极管，将储存在斩波电感器L中的再生能量传递给锂电池充电[9]。

如图4(b)所示，当变换器处于Boost模式时，其主要功能是升高输出电压，列车处于启动加速状态，将引起牵引网络电压下降，DC/ DC变换器处于Boost模式，并且开通IGBT2，断开IGBT1，锂电池组释放能量并储存在斩波电感L中，然后IGBT2关断，通过IGBT1的续流二极管，将储存在斩波电感L中的能量传递给牵引直流供电网[10]。

图4 DC/DC充放电原理图Fig. 4 DC / DC charge and discharge schematic

3 锂电池储能装置控制策略

当列车处于启动加速工况时，由于列车启动电流i较大，从而引起线路产生较大的电压降，导致牵引网压严重下降；当列车惰行时，不会引起电压波动，其基本保持在一个变电所的空载电压；当列车处于制动减速状态时，此时电机相当于发电机，直流侧电压方向不变，电流反向，逆变器将再生制动能量发送回直流电网，使牵引网压迅速上升，如果不进行控制，当网压超过其允许的最大电压时，从而使列车发生再生失效问题。因此，可以将牵引网压作为储能系统的控制信号。此外，为了确保储能系统的正常运行，锂电池组本身具有电压和电流限制：即锂电池组的端电压必须控制在最大允许值和最小允许值之间，若超出范围，锂电池组将停止工作，同时锂电池组的充放电电流同样应在额定范围内工作，从而产生PWM信号来控制双向DC/ DC变换器中IGBT的导通与关断，实现储能装置的充放电。锂电池储能充放电控制策略框图如图5所示。

图5 锂电池储能充放电控制策略框图Fig. 5 Block diagram of lithium battery energy storage and discharge control strategy

（1）当列车工作于启动加速工况时，此时直流网电压Udc低于放电参考电压U*discharge，储能系统处于放电状态。将Udc与U*discharge的差值经PI调节器经限幅后得到锂电池的电流参考值I*bat，将锂电池反馈的当前电流值Ibat与电流参考值I*bat的差值送入PI调节器，得到的信号与三角波比较，将得到的控制信号传送给IGBT2，此时将以一定的占空比导通，并与IGBT1的反并联二极管构成通路，锂电池组的储存能量被释放到牵引网以供列车使用。

（2）当列车工作于制动减速工况时，此时直流网电压Udc高于充电参考电压U*charge，储能系统处于充电状态。与放电过程类似，将Udc与U*charge的差值经PI调节器通过限幅后得到锂电池的电流参考值I*bat，将锂电池反馈的当前电流值Ibat与电流参考值I*bat的差值送入PI调节器，得到的信号与三角波比较，将得到的信号传动给IGBT1，此时将以一定的占空比导通，并与IGBT2的反并联二极管构成通路，控制制动能量给锂电池组充电。

（3）当直流牵引网电压Udc介于充电电压参考值和放电电压参考值之间时，同时关闭IGBT0、IGBT1、IGBT2，锂电池组工作于备用状态。

4 仿真分析

为了验证地面式锂电池储能系统抑制牵引网电压波动，采用MATLAB/ SIMLINK平台构建锂电池储能系统的单变电所、单列车仿真平台。

4.1 仿真结构图

城轨锂离子储能仿真主电路系统结构如图6所示，仿真系统由三部分组成，其中变电所直流供电系统由三相交流电源和三相整流桥模拟；牵引直流网线路参数取：R=0.08 Ω，L=2 mH；该电路的后端包含一个逆变器和一个永磁同步电机，通过不同的电机运行状态来模拟列车牵引、惰行、制动运行工况。最后将锂电池组装置并联在牵引网直流端。

图6 主电路系统结构图Fig. 6 Main circuit system structure

4.2 仿真参数

锂离子电池参数为：额定容量160Ah，额定电压692V，工作电流-250～+250A。双向DC/DC变换器参数为：储能电感7.5mH，滤波电容30000μF。IGBT开关频率10kHz；直流牵引网标准供电电压1500V。永磁同步电机参数为：定子电阻0.25Ω；d，q轴电感Ld=1.5mH，Lq=1.5mH；转动惯量J=1.5kg∙m2；给定转速ω=1000r/min。

4.3 仿真结果

根据本文中提出的地面式储能系统抑制牵引网压波动的目标来进行仿真，验证储能系统充放电控制策略的有效性。通过模拟列车启动加速、惰行和制动减速过程中永磁同步电机转速变化来反映列车行驶工况，如图7所示。列车从0 s时刻开始启动加速，到0.4 s左右时达到给定转速进入惰行工况，持续一段时间后列车2 s时刻开始进入制动减速工况，直至转速下降为零，列车停车。

图7 电机转速变化图Fig. 7 Motor speed change diagram

当牵引直流网未接入锂电池组时，牵引网电压仿真结果如图8所示。由图8可以看出，在列车启动加速过程中直流网压跌落至1090 V左右，在列车制动减速过程中升高到1710 V左右，相比直流牵引网标准供电电压1500 V，网压波动比较大，且在此阶段中制动能量并未得到有效回收利用。

图8 直流牵引网电压波动图Fig. 8 DC traction network voltage fluctuation diagram

4.3.1 启动加速工况

当列车的牵引系统接入地面式锂电池储能系统时，列车从第0 s时刻开始进入启动加速工况，锂电池储能系统向直流网释放能量，使直流网电压下降至1250 V以下，使直流网电压保持在安全电压以内，防止网压过低而损坏电气设备。启动加速过程中直流牵引网压如图9所示，电压下降至1290 V后趋于平稳，渐渐跌落至最低电压1270 V左右，满足电压的最小允许值。

图9 启动加速中直流网压Fig. 9 DC network pressure during starting acceleration

4.3.2 再生制动工况

列车从第2 s时刻开始进入制动减速工况，产生制动能量向直流网输送，储能系统吸收直流网上多余的再生能量，并将直流网压控制在1800 V以内。制动减速中直流网压如图10所示。当列车开始制动时，直流牵引网络电压上升到1620 V然后逐渐回落，并保持在1600 V以下，最后稳定在1500 V以上。满足电压最大允许值的同时，有效的将能量回收利用。

图10 制动减速中直流网压Fig. 10 DC network pressure during braking deceleration

5 结论

本文通过对城市轨道交通地面式锂离子电池储能系统的牵引供电模型进行分析，对提出的储能系统充放电控制策略进行了仿真研究，一方面验证了其可行性。另一方面，验证了锂离子电池储能系统在抑制直流牵引网的电压波动和提高轨道交通中供电网络的稳定性和能量利用方面起着重要作用。目前仿真还停留在基于单变电所，单储能系统，单列车为例，做了初步讨论，在以后的研究中，还将充分考虑多变电所，多储能系统，多列同时车运行时制动能量交互问题，在稳定电压的同时提高能量利用率。