考虑光储的轨道交通车辆段微网控制策略研究

余刚

（中铁电气化局集团有限公司，北京 100036）

城市轨道交通是世界公认耗能低、污染少、快捷、便利、安全的交通运输工具，许多城市逐渐建立了以地铁为主，多种轨道交通为辅的城市新一代轨道交通系统[1]。在中国制造概念的极大推动下，提出构建技术创新、质量过关、绿色环保的先进轨道交通装备，于是轨道交通行业成为国内尖端制造技术领域竞争最激烈、创新驱动水平最高的领域之一。随着城市轨道交通的快速发展，节能、智能化是轨道交通当今发展的重要趋势[2]。

牵引供电系统是轨道交通系统的主要能耗点，而我国很多地区都具有光伏发电的天然条件，适合设置独立光储微电网解决轨道交通车辆段的牵引供电问题。相比于交流微网来说，直流微网不存在频率跟踪、无功波动的问题，提高了系统电能质量与稳定性[3-4]。将光储接入轨道交通车辆段形成直流微网后，直流母线作为车辆段微网的能量交换中心，列车负载及光伏输出的变化都有可能令其电压产生一定的波动，对系统正常运行造成影响。关于直流微电网系统的直流母线稳压控制问题，国内外相关研究机构与学者已经取得了部分成果。文献[5]研究了微网系统的稳定性，将储能补偿和负荷控制用于应对天气引起的光伏阵列输出波动，从而保证微电网母线电压稳定。针对固定下垂系数的下垂控制无法应用于低压微网的问题，文献[6-8]令固定的下垂控制系数自适应变化对其进行了改进，并且通过仿真验证了可变下垂系数的可行性。文献[9-11]构建了在含分布式电源的微网中加入电动汽车，并研究了在微网中接入电动汽车对系统运行控制存在的影响。

以独立运行的轨道交通车辆段微网为研究对象，提出针对列车负载波动及光伏波动的稳压控制策略，光伏采用功率控制型改进扰动观察法，储能采用具有SOC 影响因子的电压闭环控制，具有切换因子的电压闭环控制、功率环控制，逆变器采用双闭环控制。通过分别模拟列车负荷和光伏输出变化时的系统情况，验证了与双闭环控制相比，直流母线电压指标能够更好地满足抑制直流母线电压波动、提高系统暂态稳定性的要求。

1 车辆段光储微网系统结构

针对轨道交通车辆段的光伏-储能系统，所提出的微网拓扑结构如图1 所示，其中接入650 V 直流母线的端口包括列车负荷、蓄电池、超级电容、光伏；列车负荷与直流母线通过三相逆变器电路连接；光伏模块及混合储能分别通过Boost 变换器与双向Buck/Boost 电路接入直流母线。

由于独立的车辆段光储微电网缺乏大电网的支撑，在光伏阵列瞬时功率发生较大的波动时，会对直流母线电压产生一定的影响。仅仅依靠对光伏阵列Boost 变换器进行控制无法保障母线电压的稳定，因此将混合储能系统接入车辆段中，为光伏逆变器提供稳定的电压，维持车辆段微网系统的能量平衡。

在混合储能系统中，蓄电池与超级电容器的特性不同。蓄电池能量密度高，但功率密度低，因此其容量较大，可存储较多能量，瞬时功率流动小，不适合瞬间吸收或释放较大能量；而超级电容正好相反，能量密度低，功率密度高，可瞬时释放或吸收较大能量，蓄电池和超级电容的接入提高了微网运行的灵活性。

2 车辆段微网系统的运行控制策略

该文基于稳压的目的提出轨道交通车辆段微网控制策略。针对混合储能系统，在电压电流双闭环控制的基础上引入SOC 影响因子KSOC，以达到功率流动的平滑性，同时为了更好地调控储能系统的突然切入与切出，引入切换因子KSWITCH；对于光伏系统，将输出功率纳入考虑，从而实现MPPT 及稳压控制；为了使其输出符合电能质量的要求，三相逆变器采用电压电流双闭环的策略。

2.1 储能系统控制方法

储能系统的控制是车辆段光储微网中最为关键的一环，列车负荷高峰时充当电源输送功率，列车负荷低谷时储存能量，维持母线电压稳定。

储能系统采取最常用、最基本的双闭环控制。在采集到直流侧电压值后，将其和标准值比较后送入PI 控制器构成电压环；把电压环得到的输出与储能电流值进行比较再传递给PI 控制器构成电流环，电流环输出Vref信号传给PWM 控制器产生储能系统的控制信号，控制方程如式（1）所示：

式中，Kp1与Ki2分别为双闭环控制中电压环的PI控制器参数；Kp2与Ki2分别为双闭环控制中电流环的PI 控制器参数；Vdc_ref、Vdc分别表示直流母线上的电压参考值以及实际测得直流母线的电压值；Ibat为测得的蓄电池输出电流值。

为了令功率流动具有平滑性，在所述控制的基础上对其进行改进。当储能SOC 达到限值时会导致储能端控制的开关进入闭锁状态，某个储能功率的突然消失，必然导致母线电压的波动，所以在储能SOC 接近限值时，在电压环的输出端引入SOC 影响因子KSOC，在保证SOC 逐渐逼近正常工作限值时，控制储能的功率流动也慢慢减少。KSOC如式（2）所示，控制框图见图2。

式中，SOCL_risk、SOCH_risk为蓄电池SOC 上下危险限值；SOCL_limit、SOCH_limit为蓄电池SOC 正常运行限值。

由于该储能系统包括了蓄电池和超级电容，因此它们之间的配合也需要过渡。储能系统突然的切入或者切出均会引发母线电压的波动，所以必须对储能突然切入与切出过程进行调控。在状态切换时，引入切换因子KSWITCH，公式如（3）所示，控制框图如图3所示。

式中，Kref为设定的PI 控制器增益值，t0为状态切换时刻，t为当前时刻，Δt为预先设定的切换时间间隔。

超级电容通常能够在短时间提供较大功率，当列车加速时，功率增长可由超级电容消纳，但由于电压环中的PI 控制存在滞后，不能充分发挥其特性优势。因此，对于超级电容器，控制策略采用功率环控制。储能控制策略框图如图4 所示。

功率控制利用微网控制层采集车辆段列车的功率，再除以超级电容当前的电压值之后获得电流参考值，将其与超级电容的实测电流值进行比较之后送入PI 控制器产生Vref，传入PWM 发生器得到控制信号。控制方程如式（4）所示：

式中，Kp3、Ki3为电流环PI 控制器参数，Usc为超级电容两端电压，Pref微网控制层采集列车的功率，Isc为实际测得的超级电容输出电流。

2.2 光伏电池控制策略

由于光伏模块在复杂环境中的输出特性可能会存在多峰值的情况，而传统的光伏阵列采用MPPT（最大功率跟踪）控制来寻找光伏系统最大功率点，但是这种控制方式只能依靠光强以及温度输出最大功率，不能主动控制功率。当光照充足，且储能SOC 较高时，微网中的能量过多，既不希望过度浪费光能，又希望对光伏功率输出进行限制以保证储能控制运行在正常状态，所以提出一种改进的考虑功率控制的策略，其流程图如图5 所示。该控制方法能根据不同工况条件在传统的扰动观察法和改进的扰动观察法之间切换。

当接收到微网控制层功率限制的指令时，通过改进的扰动观察法迅速将输出功率缩减至微网控制层下发的Pref。当光伏输出功率减小时，占空比增减操作与前一次一致，反之操作相反。其中光伏输出功率与Pref相差较大时，占空比步长Δd也会增大，以保证快速达到参考功率点。

2.3 逆变器控制策略

为了保证无论微网的列车负载如何变化，端口始终能够输出符合电能质量要求的电压，该文针对两电平三相逆变器拓扑结构，采用电压电流双闭环控制。交流负载逆变器拓扑和控制关系如图6 所示，其中u2d、u2q和i2d、i2q分别是逆变器交流侧基波电压电流经dq解耦后的分量，uo2d、uo2q与io2d、io2q分别为列车负荷输出电压以及电流的dq分量。

由基尔霍夫电压定理和控制原理图综合可得，解耦后的u2d、u2q、i2d、i2q为：

式（5）和式（6）中，Kup、Kui和Kip、Kii分别为电压外环、电压内环PI 控制器的比例积分控制系数。在电压外环，将负载三相电压的实际有效值和参考值进行比较，产生误差信号，经PI 控制器调节，得到瞬时有功电流与无功电流的参考值。在电流环中，将与反馈的相电流的瞬时值进行比较，再经过PI 控制器调节得到逆变器侧输出电压参考值，最后送入SPWM 比较发生器中产生逆变器开关管的脉冲信号。

3 基于Simulink的仿真及结果分析

为了验证文中所提出的各个控制策略对轨道交通车辆段微网中直流母线电压的稳定性有显著提升效果，在Matlab/Simulink 平台中搭建了考虑光伏及混合储能的独立车辆段微网的仿真模型，分别对列车负载波动和光伏发发生波动的情况下进行仿真实验与分析。

设定仿真的时长为1.5 s，参考传递函数与经验法进行仿真验证，先根据传递函数来确定控制参数的初值，然后根据控制参数的控制效果来进行PI 参数的整定，得到车辆段微网系统各个仿真参数如表1所示。将直流母线的电压设为650 V，逆变器输出的额定功率设为7 500 W，并令输出的交流电压有效值为AC 220 V，设定光伏阵列处于标准环境条件下进行仿真实验。

表1 车辆段微网系统的仿真参数

3.1 列车负载波动下仿真结果

图7 及图8 为令光伏输出功率不变，改变负载功率时的仿真波形。在仿真开始时列车负载的功率为6 kW，在0.6 s 时增加列车的负载，使得列车负载的功率增大为11 kW，仿真至1 s 时切出0.6 s 时刻增加的列车负荷，此时负荷的功率又降至6 kW。图7 显示了在双闭环控制策略和所提出的稳压控制策略下的直流母线电压、逆变输出电压及负载电流的对比，并计算获得直流母线电压各个参考指标如表2 所示。其中Vf表示电压下降的最大值，t＇表示电压从开始降落至平稳所经过的时间，K表示电压的波动率。

表2 列车负荷波动下直流母线电压的仿真结果

由图7 及表2 可知，相比于双闭环控制策略，采用该文控制策略的车辆段微网在遇到列车负载波动时，各个参考指标包括直流母线电压降落的最大值、电压从开始降落到稳定的时间以及电压波动率均更优。也就是说，所提的混储、光伏及逆变器的控制策略抑制直流母线电压波动效果更好，车辆段光储微网暂态稳定性得到了一定程度的提升。

图8 为在列车负荷波动时，两种控制方法下的光伏阵列电流、蓄电池电流、超级电容电流的对比。由图可知，在0.6 s 时，列车负荷突然增大，蓄电池及超级电容的电流同时增大，蓄电池缓慢放电后慢慢降至0，超级电容在负荷增大的瞬间快速放电，然后电流快速减小至0；同理在1 s 时，列车负载的突然减小使得蓄电池缓慢地吸收低频功率分量充电，超级电容迅速吸收高频分量后电流变化至0，停止充电。

3.2 光伏波动下仿真测试

在列车的负载功率恒定的情况进行双闭环控制策略与所提控制策略的光伏波动仿真测试，在0.4 s 时将设定仿真初始的光照强度从500 W/m2增加至1 000 W/m2，在0.8 s 时将光照强度再次降为500 W/m2，光伏输出电压和电流在0.4 s和0.8 s时的变化如图9所示。

图10 显示了在光伏波动情况下，采用双闭环控制策略和该文提出的稳压控制策略时的直流母线电压、逆变输出电压及负载电流，在该仿真前提下获取650 V 直流母线电压波形如图10 所示，电压参考指标对比如表3 所示。由图10 及表3 可知，在列车负载功率恒定的情况下，车辆段微网系统中的光伏阵列发生波动时，所提控制方法的稳压效果较双闭环控制方法更好。

表3 光伏输出波动情况下母线电压各参考指标对比

图11 显示了在系统负载功率不变、光伏阵列输出波动时，不同控制策略下蓄电池、超级电容的功率变化。在仿真启动时光伏阵列光照强度为500 W/m2，此时车辆段微网列车负荷需求无法被满足，采用双闭环控制策略的蓄电池和超级电容均放电补偿缺额能量，而采用该文控制策略的超级电容不工作，缺额能量全部由蓄电池补偿；光照强度在0.4 s 时升高为1 000 W/m2，此时由于光伏阵列输出的功率升高，除列车负载使用的外，剩余的能量给储能系统充电，蓄电池及超级电容以不同的速度分别吸收低频功率分量和高频功率分量，母线电压升高后快速恢复至650 V；0.8 s 时，光照强度减小至500 W/m2，光伏的发电量不足造成微网系统发生功率缺额，此时由储能系统快速放电进行补偿，母线电压在产生波动后迅速稳定下来。

通过光伏输出恒定列车负荷波动与列车负载恒定光伏波动下的仿真，说明和双闭环控制策略相比，采用所提控制策略能够令车辆段光储微网抑制直流母线电压波动的能力更强，同时达到延长电池使用寿命的目的。

4 结论

该文基于轨道交通车辆段微网的拓扑结构，提出了一种稳压控制策略，用于微网在列车负载波动下与光伏阵列波动下的稳定运行。通过文中提出的具有SOC 影响因子KSOC的电压闭环控制、切换因子KSWITCH的电压闭环控制、功率环控制的储能控制策略，实现储能与微网的传输功率可控，既保证储能的使用寿命，也稳定直流母线电压。光伏端口采用功率控制型改进扰动观察法，保证光伏端口功率可控，在能量过剩时，及时降低输出功率保障直流母线电压的稳定。利用Matlab/Simulink 平台搭建的仿真模型验证了所提控制方法的正确性，得到的直流母线电压指标均符合要求。