一种基于直流微网技术的新型地铁能量回馈系统

王书予， 许烈， 刘然， 王奎， 李永东

(清华大学 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084)

0 引 言

近年来，随着城市轨道交通的快速发展，城市轨道交通系统的能量消耗也越来越大，以北京地铁为例，其在2016年的能量消耗达到了1.4亿kWh[1]。因此在能源短缺与环境恶化的双重问题下，改造传统地铁供电系统，提高地铁供电系统的能源利用率具有重要的意义。

传统地铁供电系统主要由牵引网和动力照明网两部分构成，由所在区域变电站或地铁主变电所进行供电。目前牵引网侧直流母线主要通过牵引网经过不控多脉整流器获得，但由于多脉整流器只能实现功率单向流动，地铁在刹车过程中回馈的能量只能通过制动电阻耗散或由旁车吸收，造成了很大能量损失。以韩国首尔地铁2号线为例，在不同站间距和发车间隔的条件下，地铁刹车所损耗的能量占总牵引能量的21%～39%[2]。同时，地铁较高的起动刹车功率对牵引变电站峰值功率提出了较高的要求。此外牵引网侧直流母线电压也由于多脉整流器较软的外特性会产生较大的电压波动。另一方面，配置给站内设备的不间断电源(UPS)常年处于浮充的工作状态，不能充分利用电源的储能功能。因此为解决上述问题，需要对现有地铁电网架构改进。

直流微网作为目前学术界、工业界的研究热点，能够较容易地将储能设备和新能源系统整合[3-4]。而地铁牵引网侧直流母线也可以看做一种直流微网，因此，可以考虑采用直流微网的相关技术去解决上述地铁电网中存在的问题。

将储能设备引入地铁电网，能够吸收地铁回馈能量，同时主动控制牵引网侧直流母线电压。目前已有一些对牵引网侧直流母线电压控制方法的研究，文献[5]提出一种可以充分发挥超级电容功率平滑特性的基于列车运行状态的超级电容优化控制方法，但是该方法依赖于列车运行速度和位置工况，对系统通信要求较高，降低了可靠性。文献[6]提出一种不依赖于列车工况信息的直流母线电压控制方法，但该方法没考虑超级电容荷电状态(SOC)。此外，地铁列车运行功率达MW级，需多个变换器并联，因此还需通过控制合理分配并联变换器间的功率。下垂控制是直流微网中一种常用的控制方法，具有并联自然均流和分布式的特性[7]。文献[8]提出了一种直流母线电压信号(DBS)的控制方法，仅依赖本地电压信息，便可实现均流及运行模式的切换，该方法的缺点在于网压必然会出现跌落现象。

微网中常用由超级电容(SC)和电池(BAT)构成的混合储能系统(H-ESS)来平抑负荷波动，从而充分发挥不同储能的优势[9]。目前已有对混合储能的功率分配策略的研究，文献[10]提出采用低通滤波算法对超级电容和电池进行功率分配，但是方法中未考虑超级电容的SOC，易造成SOC越限，影响高频功率的平抑效果。文献[11]提出将混合储能系统引入地铁电网，采用变低通滤波常数的分配方法，能够兼顾超级电容和电池的高低频特性，但滤波常数与分配功率间呈非线性关系，难以调整滤波常数[12]。文献[13]提出一种基于超级电容SOC的功率分配方法，可避免超级电容SOC的越限发生，但是功率分配结果的频域特性较复杂。同时还有对并联模块间SOC均衡方法的研究，文献[14]提出了一种自适应下垂系数的控制方法，可以实现储能模块间SOC均衡。文献[15]指出文献[14]的方法会影响系统动态特性，降低系统稳定性，并提出一种平移下垂曲线的SOC均衡方法。但该方法无法实现SOC的复位，会影响UPS的应急功能。

本文提出一种新型的地铁能馈系统架构，能解决现有架构中的问题，使刹车能量能全部被吸收利用，并大幅减小牵引网侧直流母线的电压波动，大幅降低牵引变电站的峰值功率，充分利用站内UPS资源。为很好地控制母线电压并合理分配模块功率，常采用直流母线电压信号(DBS)的下垂控制方法。本文提出一种改进的下垂控制方法，通过平移下垂曲线实现电池SOC的闭环控制，能够充分发挥电池功率平抑作用，保障UPS的应急功能。

1 新型地铁能馈系统架构

1.1 现有地铁能馈系统架构

为解决传统地铁电网架构中的再生失效问题，现有架构主要通过能馈PWM变换器将能量回馈到电网，或是通过储能装置吸收再生制动能量。

图1是基于能馈PWM变换器的地铁能馈系统，再生制动能量回馈至牵引网或是低压动力照明母线[16]。

图1 基于能馈PWM变换器的地铁能馈系统Fig.1 Metro energy feedback system architecture based on regenerative PWM converter

将能量回馈至动力照明网能够实现牵引网与动力照明之间的能量交互。但是无论回馈至哪个电网，都未能解决牵引网侧直流母线电压波动大、牵引变电站峰值功率高以及UPS资源闲置的问题，并且能量回馈会对电网造成一定的冲击。

为解决上述问题，并避免能量回馈对电网的冲击，可采用如图2所示的飞轮储能或超级电容抑制列车负载的脉冲功率[17]。

图2 基于储能装置的地铁能馈系统Fig.2 Metro energy feedback system based on energy storage systems

引入储能装置能够将刹车能量全部吸收，减小牵引网侧直流母线电压的波动，减小牵引变电站的功率峰值需求。但是由于列车功率峰值大，使用单一类型储能装置成本过高，并且无法充分利用站内UPS资源。文献[18]提出采用混合储能装置，充分整合站内UPS设备，减少储能装置成本，但是缺少详细分析和实验验证。

1.2 基于直流微网技术的地铁能馈系统架构

为了解决现有地铁能馈系统中的问题，本文提出一种如图3所示的新型地铁能馈系统。

图3 基于直流微网技术的地铁能馈系统Fig.3 Metro energy feedback system architecture based on DC microgrid technology

在新型系统中，利用三端口双向隔离型DC/DC变换器(IBDC)，将超级电容与站内UPS电池组成的混合储能装置接入牵引网侧直流母线，且采用多模块并联的方式，平抑列车的大功率波动，减小直流母线电压波动，降低变电站功率峰值。同时能够充分利用站内UPS电池，减小所需储能装置的容量，降低成本。

同时，传统UPS中的铅酸蓄电池无法满足上述系统的要求，因此可以考虑将其替换为功率型钛酸锂电池(LTO)。功率型钛酸锂电池适用于轨道交通领域，充放电倍率可达6C以上，且具有较长的循环寿命和较好的安全性。另一方面，系统运行过程中需控制UPS电池的SOC始终高于一定的阈值，以保障UPS的应急功能正常运行。

2 系统控制和能量管理策略

考虑两模块并联的情况，本文提出的地铁能馈系统电路图如图4所示。

图4 新型地铁能馈系统电路图Fig.4 Schematic of proposed metro energy feedback system

对新型系统的分析中可以利用含内阻的单向供电直流电压源来等效牵引网和多脉整流器[20]。三端口的DC/DC变换器采用三有源桥变换器(TAB)，其具有控制简单、高效、高功率密度、安全性高的特点[21]。依照列车的运行功率曲线，可以利用恒功率源来等效列车牵引负载功率。

2.1 系统理想功率分配

典型的列车运行功率曲线如图5所示。

图5 列车功率曲线及牵引变电站和H-ESS间的功率分配Fig.5 Traction power curve and power distribution between traction substation and H-ESS

可将列车的运行工况分为牵引、巡航、刹车和停车，其中牵引和刹车时功率峰值很大，达MW级。

理想情况下，列车的牵引功率由H-ESS和牵引变电站共同提供，且H-ESS可以吸收全部刹车回馈能量，并将功率平均分配给并联的模块。从牵引和刹车的过程上看，H-ESS供给和吸收的能量基本相同，能充分发挥其平滑功率的能力，并且使站内UPS电池的SOC始终保证应急功能所需。H-ESS中两种储能装置充分发挥优势互补的作用，超级电容主要吸收高频功率，UPS电池主要吸收低频功率。

2.2 系统控制方案

平衡母线电压并按照上述方案合理分配功率，是系统整体控制的目标。图6是系统控制框图，包括电池SOC复位控制、直流母线电压下垂控制、H-ESS功率分配、TAB变换器移相控制四部分。

图6 系统控制方法和能量管理策略示意图Fig.6 Diagram of system control methods and energy management strategies

在下垂控制中，下垂曲线的偏移量可以根据UPS电池的SOC得到，使得电池SOC能够复位为设定值，并保证各模块间SOC均衡。采用分段DBS控制得到牵引工况和刹车工况下的电压参考值，维持直流母线电压平衡，实现并联模块间功率的自然平均分配。首先，通过电压PI调节得到H-ESS的功率参考值，并根据超级电容SOC，调整低通滤波的功率分配结果，得到超级电容和电池的功率指令。然后，再电流PI调节得到移相角指令。最后，通过TAB变换器进行移相控制，实现超级电容和电池的功率输出。

2.3 TAB变换器的移相控制

TAB变换器由双有源桥(DAB)变换器扩展为三端口得到，其等效电路图如图7(a)所示。

图7 TAB变换器等效电路和移相控制电压电流曲线Fig.7 Equivalent circuit and phase shift control curves of TAB converter

参考DAB变换器的分析方法，同样可以用一个方波的交流电压源来等效TAB变换器任一端口的电容和H桥，用电感来等效变压器(包括外加电感)。因此，只需要调整交流电压源之间的移相角φsc、φbat，就可以通过电感Lsc、Lbat传输和调节超级电容及电池功率Psc、Pbat，分别为

(1)

2.4 基于直流母线电压信号的下垂控制

DBS具有无需通信，可靠性高以及并联模块功率自然均分的优点。由于电源和负载的功率匹配情况可以由直流母线电压变化体现，故仅通过本地的直流母线电压信息就可以完成各模块间的通信，实现模式切换等功能，且下垂控制方法保证了并联模块间的功率能够自然平均分配。虽然下垂控制会导致直流母线电压跌落，但在本应用场景中，这一缺点可以忽略。因为即使无DBS控制，牵引变电站自身的下垂特性也会导致直流母线电压跌落，且相比之下DBS导致的网压跌落很小。

对于H-ESS外特性下垂曲线的设置如图8所示，当列车处于牵引工况时，列车功率Pvehicle>0，母线电压小于牵引变电站空载电压UdcUtract0，故将H-ESS的外特性设定为一条斜率为-RdH，截距为Udc0H(Udc0H>Utract0)的下垂曲线。

图8 牵引和制动模式牵引变电站和H-ESS下垂特性曲线Fig.8 Droop curves of traction substation and H-ESS modules in traction and braking modes

稳态下，牵引变电站和H-ESS吸收的功率以及牵引直流母线电压表达式分别如下：

(2)

可以看出，当列车处于牵引工况时，且牵引功率小于(Utract0-Udc0L)/Rdtract时，列车全部功率由牵引变电站提供。当RdL<

2.5 自适应系数低通滤波功率分配法

传统的低通滤波功率分配方法如式(3)所示(kpower=1)。其中电池能量密度较高，适合吸收低频功率波动，超级电容与之互补，适合吸收高频功率波动。

(3)

式中：Pref为H-ESS输出功率参考值；ωLPF为滤波器截止角频率。传统低通滤波功率分配方法中，若超级电容容量较小，容易导致电池SOC过早达到极限值SOCscH,SOCscL的情况，电池转而吸收高频功率，影响电池寿命。因此可以根据超级电容的SOC，实时调整系数kpower进而调节超级电容功率，对传统方法改进下：

(4)

2.6 可实现SOC复位的平移下垂曲线法

通过向上或向下平移下垂曲线，即改变下垂曲线的截距，可调整模块的输出功率，如图9所示。

图9 平移下垂曲线方法示意图Fig.9 Diagram of voltage shifting method

直流母线电压参考值为：

(5)

当Udc保持不变时，功率的调节ΔP和电压的平移量ΔU0的关系为

(6)

改变下垂曲线的截距，使得混合储能并联模块中SOC较大的输出较多功率，SOC较小的吸收较多功率，从而调节分配给各并联模块的功率，实现各模块SOC均衡。同时为保证电池的SOC始终高于阈值，以保证UPS应急功能的正常运行，因此需要采用PI闭环调节的方法对电池SOC进行控制，调节H-ESS与牵引变电站间的功率分配，即

(7)

式中，kpSOC,kiSOC为SOC环的PI参数，SOCbatref为电池SOC参考值。

3 仿真验证

基于广州地铁九号线的数据，利用PLECS对新型地铁能馈系统及其控制和能量管理策略进行验证，列车功率曲线同图5，仿真参数如表1。

表1 仿真模型的参数

图10是传统能馈系统和所提出的新型能馈系统牵引直流母线电压的仿真波形。传统能馈系统中直流母线电压在950～1 800 V之间，而新型系统中直流母线电压仅在1 240～1 550 V之间，可见新型系统能大幅降低网压波动。图11是传统能馈系统和新型能馈系统牵引变电站功率仿真波形。传统系统牵引变电站功率峰值达2.1 MW，而新型系统仅达1.3 MW，大幅降低了牵引变电站的功率峰值。图12是H-ESS功率分配波形，可见H-ESS提供了列车部分牵引功率并吸收了所有刹车功率。电池和超级电容分别提供了功率的高低频部分。

图10 传统和新型能馈系统直流母线电压仿真波形Fig.10 Simulation results of DC bus voltage in proposed and traditional energy feedback system

图11 传统和新型能馈系统牵引变电站功率仿真波形Fig.11 Simulation results of traction substation power in proposed and traditional energy feedbacksystem

图12 H-ESS功率分配仿真波形Fig.12 Simulation results of H-ESS power distribution

图13是自适应系数低通滤波和传统低通滤波策略下超级电容SOC和电池功率波形。传统策略下，超级电容SOC过早达到极限值，使得部分高频功率被电池所吸收，而自适应系数的低通滤波策略很好地解决了这一问题。

图13 自适应系数LPF和传统LPF超级电容SOC、电池功率仿真波形Fig.13 Simulation results of SOCsc and Pbat in LPF with and without adaptive coefficient

图14是SOC闭环PI控制方法下两模块电池SOC波形。两模块SOC初始值设置为0.8和1，SOC参考值为0.95，仿真中SOC在50个列车运行周期内实现了SOC的复位。

图14 SOC闭环PI控制下两模块电池SOC仿真波形Fig.14 Simulation results of two module’s SOCbat in SOC PI control

4 实验结果

为进一步验证本文提出的新型城轨交通电网架构以及控制和能量管理策略，搭建了小功率样机进行实验验证，实验平台如图15。

图15 实验平台Fig.15 Experimental platform

实验中采用恒功率控制的DAB变换器模拟恒功率运行的列车，采用36 V电源、二极管、电阻对牵引变电站进行模拟。两个TAB模块并联在牵引直流母线侧，其余端口接入由超级电容和蓄电池组成混合储能装置。

实验参数如表2，列车峰值功率以及运行周期依图6分别等比例缩小为200 W和10 s。

表2 实验参数

图16是牵引变电站电流和牵引负载电流实验波形，牵引变电站的电流峰值仅为列车负载的一半。

图16 牵引变电站电流和牵引负载电流实验波形Fig.16 Experimental results of traction substation current and traction load current

图17是传统和新型能馈系统牵引直流母线电压实验波形，传统系统母线电压在25～40 V之间，新型系统仅在28～37 V之间，可见新型系统能够大幅减小直流母线电压波动。

图17 传统和新型架构母线电压实验波形Fig.17 Experimental results of traction substation current and traction load current

图18是H-ESS的功率分配实验波形，在下垂控制和低通滤波算法作用下，模块间电流波形完全一致，超级电容吸收高频功率，电池吸收低频功率。

图18 H-ESS模块功率分配实验波形Fig.18 Experimental results of H-ESS power distribution

图19是自适应系数低通滤波和普通低通滤波策略下两模块超级电容SOC、电池功率的实验波形。模块1采用了自适应系数的低通滤波算法，模块2采用传统低通滤波策略。模块2中超级电容SOC较早达到极限值，使电池吸收高频功率导致功率突变。模块1超级电容SOC没有出现到限的情况，电池的功率始终较为平滑，验证了自适应系数策略的有效性。

图19 自适应系数LPF和传统LPF超级电容SOC、电池功率实验波形Fig.19 Experimental results of SOCsc and Pbat in LPF with and without adaptive coefficient

图20是SOC闭环PI控制下两模块SOC实验波形。两模块SOC分别设置0.95和0.85的起始值，起始时刻没有加入SOC控制算法，电池SOC保持基本不变。1.5 min时刻加入SOC闭环控制算法，SOC参考值为0.9，两模块SOC很快达到了均衡。4 min时刻SOC参考值设为0.86， SOC在3分钟内达到了新的参考值，验证了控制算法的有效性。

图20 SOC闭环PI控制两模块电池SOC实验波形Fig.20 Experimental results of two module’s SOCbat in SOC PI control

5 结 论

本文针对传统地铁能馈系统中存在的问题，提出了一种基于直流微网技术的新型地铁能馈系统方案。所提出的新型能馈系统能够吸收列车刹车回馈的全部能量，减小牵引网直流母线电压波动，降低牵引变电站峰值功率，并充分整合站内UPS设备。新型能馈系统采用基于直流母线电压信号的改进下垂控制，实现了牵引网电压的有效控制以及系统源荷储之间功率的合理分配，通过对SOC的PI闭环控制，实现了电池SOC的复位，并能够均衡模块间电池的SOC，使得电池对低频功率的平滑优势得到充分发挥，保障UPS应急功能不受影响，提高了系统的可用性和可靠性。最后通过仿真和实验结果验证了本文所提新型能馈系统及其控制方法和能量管理策略的有效性和可行性，为实际工程应用打下了基础。另外，该系统使得牵引网和动力照明网能够互为备用，进一步提高系统可靠性。同时所提系统还具有在分布式光伏、电动汽车、电网调度、能源高效互联等领域的应用前景，未来可对这些特性作进一步的研究。