基于混合储能系统含再生制动的直流微电网母线电压控制方法

王向东

【摘 要】通过储能系统将城轨交通列车频繁启动与制动时产生的剩余能量回收，可以达到直流供电母线稳压的效果，同时又为列车提供牵引电能。利用蓄电池 - 超级电容对光伏发电系统出力的互补特性，构成蓄电池-超级电容的城轨列车制动时孤岛直流微电网系统。在对比分析控制原理的基础上，提出一种适用于直流微电网混合储能的双闭环PI控制策略，研究结果表明，双闭环控制下的城轨列车制动时微电网具有更好的暂态响应速度及稳定性。

【关键词】再生制动能量;储能系统直流微电网;控制策略

1.引言

微电网是将分布式的交直流电源、储能装置、负载、控制等综合的小型系统。微电网既能在孤岛状态下运行，独立向负载提供能量，也能与交直流供电系统并网运行。微电网有直流微电网、交流微电网及交直混合微电网，相比于交流微网，直流微网能减少变流器装置，既节约成本又能减少损耗。在控制策略的制定上，不需要考虑交流的相位、频率和无功环流问题，只需保证系统内直流母线电压的稳定，因而有可靠性高、无相位控制及无功功率困扰等优点。

城市轨道交通的由于城轨站与站之间距离较短，列车的频繁启动与制动，产生的的能量约占牵引供电能量的40%以上，如果不能被回收与利用，就会影响供电质量的同时，还会造成列车在进行机械与电气制动时的温度升高，在充分吸收剩余再生制动能量的同时，也为牵引供电系统提供能量，随着大量的储能装置应用到城市轨道交通的牵引供电系统中，将会极大改善城轨列车频繁的启动与制动对直流牵引网电压造成的较大冲击的安全隐患。

2.储能系统能量回馈系统控制原理

2.1 储能系统的结构

本文提出的混合储能系统的结构如图1所示。10KV/35KV的城市电网经过变压器和整流器得到直流牵引网电压，电压等级一般为1500 V或者750 V，此时可以直接给直流负载电力机车供电，由蓄电池、超级电容和各自的 DC/DC 变换器组成的混合储能系统，可以在机车频繁制动时吸收再生制动能量或者在机车启动、加速时释放存储的能量回馈直流母线，来维持直流牵引网电压的稳定。

2.2 含有储能系统的牵引供电系统模型

为列车处于牵引、制动工况时，直流线网的能量流动情况。当列车制动时，列车的再生制动能量一部分供给临近列车牵引使用，一部分被消耗在线路阻抗上，一部分被混合储能装置吸收，剩余部分通过空气制动或制动电阻以热能的形式消耗。当列车牵引时，混合储能装置释放能量，剩余所需能量由邻近制动车辆和牵引变电所提供。

当列车制动时，列车的再生制动能量一部分供给临近列车牵引使用，一部分被混合储能装置吸收，防止牵引供电系统直流母线电压的升高;当列车启动或加速时，混合储能装置释放能量，用以补偿牵引供电系统，防止直流母线电压过快的下降。

3.双闭环的混合储能直流微电网稳定控制策略

3.1 双闭环的混合储能直流微电网的拓扑结构

混合储能系统主要包括储能元件和双向 DC- DC 变换器，超级电容和电池分别通过双向 DC-DC 变换器与直流线网连接，提高了储能元件控制的灵活性。拓扑结构将直接影响储能装置的控制方式。按照直流-直流变换器的数量，可分为直接并联拓扑、电池和超级电容各带直流-直流变换器并联拓扑、电池通过直流-直流变换器并联拓扑、超级电容通过直流-直流变换器并联拓扑四种。

这种方式结构最为简单，两者的充放电电流和流过的功率都无法进行控制，只能通过内阻自行分配，端电压只能与直流母线电压保持一致，不能完全发挥各自的性能优点。

这种拓补结构的特点是蓄电池可以通过良好的控制将流过蓄电池的电流控制在一定范围内，保证蓄电池的使用寿命。但此情况下超级电容端电压只能跟母线电压保持一致，不能充分利用超级电容耐压的优势。

这种拓补结构的特点是超级电容的充放电功率受到良好控制，可以充分利用其快速平抑功率的优势，但是蓄电池的充放电电流和端电压无法控制，难以保障其使用寿命。

这种拓补结构的特点是控制最为灵活，既可以控制蓄电池的充放电电流，保证使用安全，延长使用寿命;也可控制超级电容的充放电功率，将其快速充放电的优势发挥到最大化，是现阶段研究中采用最多的一种接入方式。

本文采用如图7所示的结构，实现超级电容和蓄电池的独立控制：蓄电池和超级电容分别经过双向DC/DC变换器接入直流母线。用四个独立的PWM波控制四个IGBT，当IGBT1或IGBT3受PWM控制时，Buck电路运行，直流母线的电力传输到超级电容或蓄电池侧，通过IGBT1或IGBT3向电池与超级电容充电，而IGBT2和IGBT4不工作。以类似的方式，当IGBT2或IGBT4受PWM控制时，Boost电路运行，电路将功率从蓄电池和超级电容的低压侧升压至直流母线。蓄电池的充放电控制与超级电容的充放电控制是相互独立的。

3.2 双闭环的混合储能直流微电网稳定控制策略

双向DC-DC变换器的控制采用传统的双环控制，电压外环稳定直流网压，电流内环调节储能元件充放电电流，具体结构如图8所示。为了减小控制复杂性、提高控制稳定性，混合储能装置共用一个电压环，两个电流环。其中P*为储能元件充放电功率指令，U为储能元件电压，I*为混合储能装电流指令，I为实际储能装置电流，PWM为控制输出。

4.结束语

针对城轨交通的再生能量波动性大等问题，提出了双闭环控制下的蓄电池与超级电容器混合储能方式以抑制直流母线电压波动。为更好发挥蓄电池与超级电容器的作用，设计了以低通滤波器的功率分配机制，以有效区分能量差中的低频与高频部分。研究表明，混合储能双闭环控制方式可以确保在城轨列车启动与制动时的再生能量被有效利用的波动的情况下，稳定直流母线电压，相较于单一储能控制效果，混合储能具有更好的动态效果。

参考文献：

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基金项目：

湖南省教育厅科学研究项目（16C1052）

（作者单位：湖南铁路科技职业技术学院）