路濤濤,田銘興

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.甘肅省軌道交通電氣自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室(蘭州交通大學(xué)), 蘭州 730070)

引言

城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱“城軌”)由于站間距短，車輛啟動(dòng)制動(dòng)頻繁，運(yùn)行過程中產(chǎn)生相當(dāng)可觀的制動(dòng)能量。以廣州地鐵4號(hào)線為例，制動(dòng)能量占牽引能量的30%左右，如果將這部分能量加以利用，每年節(jié)約電能可達(dá)8.0×106kW·h，節(jié)約電費(fèi)及設(shè)備損耗費(fèi)可達(dá)700萬元/年[1]。

目前針對(duì)城軌再生制動(dòng)能量，有電阻耗散式，逆變回饋式、儲(chǔ)能回饋式等回饋利用及優(yōu)化運(yùn)行圖或發(fā)車間隔供給相鄰列車等多種利用方式。對(duì)再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)能回饋的研究主要有儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置[2-3]，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-6]，以及儲(chǔ)能裝置的控制策略[7-8]等；對(duì)再生制動(dòng)能量逆變回饋的研究主要有系統(tǒng)能饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]，回饋能量與接觸網(wǎng)電壓之間關(guān)系[10]，以及回饋裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[11]等；優(yōu)化運(yùn)行圖利用再生制動(dòng)能量的研究，主要通過優(yōu)化時(shí)刻表使加速列車和制動(dòng)列車動(dòng)作同步，將再生制動(dòng)能量供給同一供電區(qū)間的加速列車使用[12-13]；還有一些文獻(xiàn)對(duì)當(dāng)前再生制動(dòng)能量的利用方式及工程應(yīng)用情況作了全面綜述[14-16]。但電阻耗散式造成能量浪費(fèi)，與節(jié)能減排的原則相悖；儲(chǔ)能回饋式所需儲(chǔ)能容量較大，成本較高，同時(shí)車載儲(chǔ)能還會(huì)增加車體質(zhì)量；逆變回饋式由于再生制動(dòng)能量的沖擊性和間歇性可能威脅動(dòng)力照明系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性；優(yōu)化運(yùn)行圖或時(shí)刻表的方式可能影響城軌的行車安全或造成客流時(shí)空分布與行車量時(shí)空分布的不統(tǒng)一等問題。

電動(dòng)汽車作為新興負(fù)荷和移動(dòng)式儲(chǔ)能裝置，其充放電行為具有可調(diào)度特性，利用V2G技術(shù)使其參與微電網(wǎng)調(diào)度，平抑可再生能源出力波動(dòng)性和間歇性的研究得到了廣泛關(guān)注[17-18]。隨著電動(dòng)汽車的逐漸普及，城軌出入口周邊一般安裝有電動(dòng)汽車充電樁，方便車主使用。同時(shí)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)汽車一天內(nèi)90%的時(shí)間都處于停滯狀態(tài)[17]，且為滿足電動(dòng)汽車快速充放電，所用儲(chǔ)能系統(tǒng)一般含有超級(jí)電容器，其具有儲(chǔ)能密度大、放電比功率高、快速充放電能力強(qiáng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)，相比于其他儲(chǔ)能裝置，具有更優(yōu)異的大電流充放電特性[19-21]。借鑒電動(dòng)汽車的V2G技術(shù)，針對(duì)目前城軌再生制動(dòng)能量回饋利用中存在的問題，提出一種基于微電網(wǎng)的再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，由于電動(dòng)汽車所用儲(chǔ)能裝置大電流快速充放電特性可以匹配城軌再生制動(dòng)能量時(shí)間短、沖擊大的特點(diǎn)，利用電動(dòng)汽車的閑置時(shí)間發(fā)揮其儲(chǔ)能特性和可調(diào)度特性，平抑再生制動(dòng)能量的沖擊性和間歇性，使車站動(dòng)力照明系統(tǒng)能夠盡可能多地使用再生制動(dòng)提供的綠色電力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于微電網(wǎng)的城軌再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，Buck變換器接于站臺(tái)接觸網(wǎng)，當(dāng)有列車進(jìn)站時(shí)，將再生制動(dòng)能量回饋給直流母線，由直流母線進(jìn)行再生制動(dòng)能量的分配，當(dāng)無列車進(jìn)站時(shí)，Buck變換器處于閉鎖狀態(tài)。

圖1 基于微電網(wǎng)的城軌再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)示意

電動(dòng)汽車由于其充放電可調(diào)度，將其作為能量緩沖環(huán)節(jié)，平抑制動(dòng)能量的間歇性和沖擊性。其充放電主電路采用基于互補(bǔ)PWM控制的雙向DC/DC變換器，當(dāng)有列車進(jìn)站時(shí)，吸收再生制動(dòng)能量的峰值，平抑再生制動(dòng)能量的沖擊性；當(dāng)無列車進(jìn)站時(shí)，作為電源為車站動(dòng)力照明系統(tǒng)供電，彌補(bǔ)制動(dòng)能量的間歇性。逆變器采用恒功率控制，為車站動(dòng)力照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定功率，以減小制動(dòng)能量的沖擊性和間歇性對(duì)系統(tǒng)的不利影響，使系統(tǒng)能夠盡可能多地使用再生制動(dòng)提供的綠色電力。

2 運(yùn)行控制

2.1 再生制動(dòng)能量回饋控制

由于城軌采用二極管多脈波整流機(jī)組為列車供電，能量只能單向流動(dòng)，當(dāng)進(jìn)站列車再生制動(dòng)時(shí)，一部分制動(dòng)能量會(huì)被相鄰列車吸收，剩余能量將會(huì)使接觸網(wǎng)電壓升高。因此，根據(jù)站臺(tái)處接觸網(wǎng)電壓來判斷是否有列車再生制動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到站臺(tái)處接觸網(wǎng)電壓高于Buck變換器回饋控制的啟動(dòng)電壓時(shí)，啟動(dòng)Buck變換器，回饋再生制動(dòng)能量，當(dāng)檢測(cè)到站臺(tái)處接觸網(wǎng)電壓低于Buck變換器回饋控制的啟動(dòng)電壓時(shí)，Buck變換器處于閉鎖狀態(tài)。城軌列車進(jìn)站時(shí)能夠回饋的最大制動(dòng)功率與接觸網(wǎng)電壓之間的關(guān)系為[10]

(1)

式中，Uc為接觸網(wǎng)電壓；μa和μb分別為接觸網(wǎng)和鋼軌的電阻率；d為制動(dòng)列車距車站的距離。

這里給出一種基于飽和PI調(diào)節(jié)器的再生制動(dòng)能量回饋控制方法，其控制框圖如圖2所示，由接觸網(wǎng)電壓外環(huán)和Buck變換器電感電流內(nèi)環(huán)組成。圖中，Ust為再生制動(dòng)能量回饋啟動(dòng)電壓，iL為Buck變換器輸出電流。

Buck變換器回饋控制的調(diào)節(jié)過程為：當(dāng)UcUst時(shí)，Uc與Ust的偏差經(jīng)飽和PIu調(diào)節(jié)器輸出為Imax(Imax為最大制動(dòng)回饋電流)，快速回饋制動(dòng)能量，以維持接觸網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

圖2 再生制動(dòng)能量回饋控制框圖

相比于傳統(tǒng)控制斷路器通斷的回饋方法[22]，該方法中的飽和PI調(diào)節(jié)器可以起到斷路器的作用，回饋系統(tǒng)可以取消直流斷路器，減少系統(tǒng)投資成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

2.2 逆變器恒功率控制

為減小再生制動(dòng)能量的沖擊性和間歇性對(duì)車站動(dòng)力照明系統(tǒng)的不利影響，逆變器采用恒功率控制，其控制框圖如圖3所示。同時(shí)為減小諧波污染，電流環(huán)采用PR控制器，使并網(wǎng)電流正弦化。圖中，Pset為給定功率；Us為交流母線電壓；PLL為鎖相環(huán)；Kpwm為逆變器放大倍數(shù)；L為濾波電感；R為損耗電阻；U0為逆變器輸出電壓；iabc為逆變器輸出電流。

圖3 逆變器恒功率控制框圖

設(shè)城軌車輛一個(gè)牽引、惰行、制動(dòng)工況的時(shí)間為T，再生制動(dòng)的時(shí)間為t，則再生制動(dòng)功率最大值在一個(gè)牽引、惰行、制動(dòng)工況下的平均值

(2)

逆變器恒功率控制時(shí)，將其參考功率給定為再生制動(dòng)功率理論計(jì)算值在一個(gè)牽引、惰行、制動(dòng)工況下的平均值，即

(3)

2.3 電動(dòng)汽車充放電控制

將電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能單元，發(fā)揮其可調(diào)度特性，在回饋再生制動(dòng)能量時(shí)，吸收制動(dòng)能量的峰值，平抑制動(dòng)能量的沖擊性，回饋結(jié)束時(shí)，作為電源為車站動(dòng)力照明系統(tǒng)供電，彌補(bǔ)制動(dòng)能量的間歇性。因此，其充放電功率

PEV=Prb-Pset

(4)

式中，Prb=Udc·Ibuck為實(shí)際回饋的再生制動(dòng)功率，即Buck變換器輸出功率；Udc為直流母線電壓；Ibuck為Buck變換器輸出電流；Pset為逆變器輸出功率。

圖4 電動(dòng)汽車充放電控制框圖

3 協(xié)調(diào)控制

從圖1可以看出，再生制動(dòng)能量需根據(jù)接觸網(wǎng)電壓進(jìn)行回饋控制；并網(wǎng)逆變器需恒功率控制；電動(dòng)汽車儲(chǔ)能單元吸收制動(dòng)能量的峰值，并彌補(bǔ)制動(dòng)能量的間歇性，但輸出受容量約束，需根據(jù)荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)進(jìn)行充放電管理。

圖5 協(xié)調(diào)控制框圖

4 仿真分析

為驗(yàn)證所提基于微電網(wǎng)的城軌再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)的可行性，在Matlab/Simnlink中搭建如圖1所示仿真系統(tǒng)。仿真中設(shè)再生制動(dòng)功率最大值為50 kW，且無相鄰列車吸收，一個(gè)牽引、惰行、制動(dòng)工況的時(shí)間為5 s，再生制動(dòng)時(shí)間為2 s，制動(dòng)功率的平均值為20 kW；電動(dòng)汽車儲(chǔ)能單元仿真中用超級(jí)電容器代替，其電容值設(shè)為5F，額定電壓為500 V；回饋系統(tǒng)啟動(dòng)電壓設(shè)為1 750 V。

圖6 再生制動(dòng)能量微電網(wǎng)回饋仿真波形

圖6所示為基于微電網(wǎng)的再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)運(yùn)行控制仿真波形，圖中，Prb為再生制動(dòng)回饋功率，P0為逆變器輸出功率，PEV為電動(dòng)汽車充放電功率。

從圖6(a)、圖6(b)仿真波形可以看出：1～4 s期間接觸網(wǎng)電壓低于1 750 V，再生制動(dòng)回饋功率為0，由電動(dòng)汽車放電使逆變器輸出恒功率20 kW，平抑制動(dòng)能量的間歇性；4 s時(shí)接觸網(wǎng)電壓高于1 750 V，以最大電流回饋制動(dòng)能量，逆變器恒功率運(yùn)行，輸出功率20 kW，這時(shí)電動(dòng)汽車吸收制動(dòng)能量的峰值，穩(wěn)定后其充電功率為30 kW，平抑制動(dòng)能量的沖擊性；6 s時(shí)接觸網(wǎng)電壓低于1 750 V，回饋結(jié)束，再生制動(dòng)回饋功率為0，這時(shí)與1～4 s期間的運(yùn)行狀態(tài)一致。

從圖6(c)可以看出，在整個(gè)運(yùn)行過程中直流母線電壓都保持在1 000 V左右，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作；從圖6(d)可以看出，基于PR控制的逆變器輸出電流諧波畸變率只有0.67%，對(duì)動(dòng)力照明系統(tǒng)無諧波污染。

圖7所示為電動(dòng)汽車電狀態(tài)越限仿真波形，以越下限為例，仿真中電動(dòng)汽車儲(chǔ)能荷電狀態(tài)下限設(shè)定為25%，其初始荷電狀態(tài)設(shè)為33%。圖中符號(hào)含義與圖6相同。

圖7 電動(dòng)汽車荷電狀態(tài)越限仿真波形

從圖7(b)可以看出，2.5 s時(shí)儲(chǔ)能荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)定下限25%，SOC與SOCmin的偏差經(jīng)滯環(huán)比較器1輸出為1，此時(shí)逆變器給定功率修正值-20 kW，逆變器參考功率給定Pset=0，電動(dòng)汽車放電功率PEV=Prb-Pset也為0，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)；4 s時(shí)，接觸網(wǎng)電壓高于1 750 V，系統(tǒng)開始回饋再生制動(dòng)能量，電動(dòng)汽車開始充電，其荷電狀態(tài)恢復(fù)到安全可控范圍內(nèi)，逆變器也恢復(fù)到恒功率運(yùn)行，4 s以后的運(yùn)行狀態(tài)與圖6一致，不再贅述。

從上述仿真波形和分析可以看出，所提基于微電網(wǎng)的再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)是可行的，電動(dòng)汽車能夠平抑再生制動(dòng)能量的沖擊性和間歇性，同時(shí)保證其荷電狀態(tài)的安全可控。

5 結(jié)論

城軌由于站間距短，車輛啟動(dòng)制動(dòng)頻繁，運(yùn)行中產(chǎn)生相當(dāng)可觀的制動(dòng)能量，利用電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能特性和可調(diào)度特性，提出一種基于微電網(wǎng)的再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)。

(1)為維持接觸網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，提出一種基于飽和PI調(diào)節(jié)器的再生制動(dòng)能量回饋控制，可根據(jù)接觸網(wǎng)電壓快速回饋再生制動(dòng)能量。

(2)為使電動(dòng)汽車能夠快速充放電平抑制動(dòng)能量的間歇性和沖擊性，使逆變器以恒功率運(yùn)行，提出一種電壓電流雙閉環(huán)的電動(dòng)汽車充放電控制策略和基于PR控制器的逆變器恒功率控制。

(3)為避免電動(dòng)汽車平抑制動(dòng)能量沖擊性和間歇性時(shí)發(fā)生過充或過放，提出一種基于滯環(huán)比較器的協(xié)調(diào)控制方法。