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摘 要： 摘 要：針對地鐵牽引網(wǎng)電壓波動劇烈及機(jī)車再生制動能量利用率不高的問題，在地鐵牽引供電系統(tǒng)中裝設(shè)超級電容儲能元件，提出一種地鐵儲能型再生能量回收裝置。該裝置不僅可實現(xiàn)機(jī)車再生制動能量的回收利用，還可通過裝置與供電系統(tǒng)間協(xié)調(diào)控制，達(dá)到雙向穩(wěn)壓、削峰填谷的
摘 要：針對地鐵牽引網(wǎng)電壓波動劇烈及機(jī)車再生制動能量利用率不高的問題，在地鐵牽引供電系統(tǒng)中裝設(shè)超級電容儲能元件，提出一種地鐵儲能型再生能量回收裝置。該裝置不僅可實現(xiàn)機(jī)車再生制動能量的回收利用，還可通過裝置與供電系統(tǒng)間協(xié)調(diào)控制，達(dá)到雙向穩(wěn)壓、削峰填谷的目的。首先分析系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)及工作原理;然后構(gòu)建系統(tǒng)上層能量管理，下層變換器控制的協(xié)調(diào)控制策略;最后搭建系統(tǒng)仿真模型，模擬分析多種運行工況，驗證該裝置及控制策略的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：地鐵;再生能量;儲能裝置;控制策略;仿真
0 引言
城市地鐵站間距離短，列車啟動、制動頻繁，考慮線路坡度、曲線、車型、站間距、發(fā)車間隔等因素，機(jī)車制動時再生能量可達(dá)到牽引能量的40%以上，同時引起牽引網(wǎng)電壓抬升[1-2]。目前，這部分能量除少量被相鄰機(jī)車吸收利用外，剩余大部分一方面可通過制動電阻以熱能耗散掉，該方式不僅浪費再生能量，還增加隧道內(nèi)通風(fēng)散熱設(shè)備等成本;另一方面可通過逆變回饋裝置反饋回地鐵內(nèi)部35kV 交流電 網(wǎng) 以 實 現(xiàn) 能 量 回 收 利 用，但 地 鐵 負(fù) 荷 沖 擊性、波動性強(qiáng)，會對35kV 交流電網(wǎng)造成一定程度沖擊，因此各地電力公司對此類設(shè)備的接受程度有待觀察[3-5]。
針對地鐵牽引、制動負(fù)荷的大功率、沖擊性和波動頻繁等特點，結(jié)合超級電容功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長、能量轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)勢[6-7]，兩者具有良好的匹配性，因此將超級電容儲能用于地鐵再生能量回收利用具有得天獨厚的優(yōu)勢。基于上述分析，本文提出一種地鐵儲能型再生能量回收裝置 (EnergyStorageTypeEnergyRe-coveryDevice，ES-ERD)，用于實現(xiàn)機(jī)車再生制動能量的回收利用及牽引網(wǎng)電壓波動的抑制。首先分析了系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)和工作原理，然后構(gòu)建了系統(tǒng)上層能量管理、下層變換器控制的分層協(xié)調(diào)控制策略，最后搭建了仿真模型來驗證裝置及控制策略的正確性。
1 主電路結(jié)構(gòu)及工作原理
系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，ES-ERD并聯(lián)于系統(tǒng)直流母線環(huán)節(jié)，該裝置由雙向 DC/DC變換器和儲能元件串并聯(lián)組成。
當(dāng)機(jī)車處于再生制動狀態(tài)，機(jī)車產(chǎn)生的再生制動能量不能完全被相鄰牽引機(jī)車吸收時，ES-ERD 工作存儲剩余的再生制動能量;當(dāng)機(jī)車處于牽引狀態(tài)時，ES-ERD 釋放電能為機(jī)車供電。通過這 “一充一放”操作，實現(xiàn)再生制動能量的回收與利用。此外，ES-ERD 作為一個功率調(diào)節(jié)單元，可削弱沖擊性負(fù)荷對牽引網(wǎng)網(wǎng)壓的影響。綜上，直流牽引供電系統(tǒng)中加入儲能裝置，可擴(kuò)展直流牽引供電系統(tǒng)的能 量 分 配 方 式， 提 升 系 統(tǒng) 功 率 調(diào) 節(jié) 的 靈 活 性 和效率。
雙向 DC/DC 變換器作為地鐵 ES-ERD 的核心 裝 置，其拓?fù)涞倪x擇至關(guān)重要。考慮到單套交直交變換器的耐壓水平和容量有限，在工程實際中通常需要根據(jù)實際情況，采用多重化、級聯(lián)、多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來適應(yīng)高電壓、大功率的設(shè)計需求[8-9]。本文采用基于半橋高壓側(cè)級聯(lián)和多相并聯(lián)的組合拓?fù)洌渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
該雙向 DC/DC變換器由兩套三相并聯(lián) Buck/Boost變換器級聯(lián)構(gòu)成，高壓側(cè)兩套裝置采用級聯(lián)方式，可降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，以適應(yīng)高電壓應(yīng)用需求，同時配置輔助耗能單元，防止造成過充事故;低壓側(cè)采用三 相 并 聯(lián)Buck/Boost方式，可降低開關(guān)器件的電流應(yīng)力和輸出電流紋波。該拓?fù)淇蓪⒁惶兹嗖⒙?lián) Buck/Boost變換器作為一個儲能單元，便于模塊化設(shè)計。
2 系統(tǒng)能量管理模式
本節(jié)以牽引供電系統(tǒng)直流母線電壓和儲能元件荷電狀態(tài) (StateofCharge，SOC)限 值 為 約 束，將 ES-ERD 的工作模式進(jìn)行劃分，控制其運行于不同狀態(tài)，以實現(xiàn)機(jī)車再生制動能量回收利用和系統(tǒng)功率優(yōu)化配置。
假設(shè)系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓為Udc，ES-ERD 的充電電壓和放電電壓分別為Udc-max、Udc-min，儲能元件的最大充電和最小放電荷電狀態(tài)值分別為SOCmax、SOCmin。
3ES-ERD協(xié)調(diào)控制策略
為了完成上述各工作模式間的有效轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)、機(jī)車和 ES-ERD間功率的有效轉(zhuǎn)移，提出一種上層能量管理、下層變換器控制的協(xié)調(diào)控制策略，通過判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)，計算分析發(fā)出控制指令，控制雙向 DC/DC變換器的運行狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn) ES-ERD 工作模式的有效切換。
3.1 上層能量管理模塊
上層能量管理包含負(fù)荷檢測和工作模式判斷兩部分。負(fù)荷檢測主要采集地鐵直流母線電壓Udc和儲能元件SOC值，然后根據(jù)各工作模式的選擇條件，進(jìn)行 ES-ERD 的工作模式判別，最后計算出對應(yīng)工作模式下 ES-ERD 端口的補(bǔ)償功率，具體流程如圖3所示。
3.2 下層變換器控制
ES-ERD的雙向 DC/DC變換器控制采用雙環(huán)控制[10]，如圖4所示。雙環(huán)控制由功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，基于上層能量管理模塊判別系統(tǒng)工作模式，依據(jù)對應(yīng)模式下的功率分配關(guān)系，計算出變換器端口的補(bǔ)償功率 PES_ref，經(jīng)功率外環(huán)與地鐵直流電壓Udc相比，產(chǎn)生充放電電流參考值IES_ref;電流內(nèi)環(huán)將IES_ref與變換器端口實際電流IES比較，差值經(jīng)PI環(huán)節(jié)進(jìn)入PWM 調(diào)制產(chǎn)生控制脈沖信號，從而控制變換器開關(guān)元件的開斷，完成系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)各工作模式的預(yù)期目標(biāo)。
4 仿真分析
為了驗證 ES-ERD工作模式和控制策略的正確性，基于 MATLAB/Simulink仿真平臺，搭建了含有 ES-ERD 的地鐵直流供電系統(tǒng)仿真模型。為了反映機(jī)車運行負(fù)荷的非線性和波動性，對表1中的三種工作模式進(jìn)行連續(xù)仿真。工況一 (0～1s)，機(jī)車運行于牽引狀態(tài)，其牽引電流為300A，全部由地鐵供電系統(tǒng)提供;工況二 (1～2s)，機(jī)車運行 于 制 動 狀 態(tài)，其 制 動 電 流 為 200 A，全 部 由 ES-ERD吸收;工況三 (2～3s)，機(jī)車運行于牽引狀態(tài)，其牽引電流為600A，地鐵供電系統(tǒng)和 ES-ERD 均提供300A。對應(yīng)仿真波形如圖5～7所示，當(dāng)?shù)罔F牽引負(fù)荷發(fā)生變化時，地鐵直流側(cè)電壓會出現(xiàn)陡增陡降現(xiàn)象，ES-ERD 投入工作，通過充放電操作，可很好地抑制網(wǎng)壓波動和回收利用機(jī)車再生制動能量。
5 結(jié)語
本文提出一種地鐵儲能型再生能量回收裝置，并從能量管理角度出發(fā)，劃分了裝置工作模式，以實現(xiàn)機(jī)車再生能量的回收利用及系統(tǒng)功率的優(yōu)化配置;同時提出一種上層能量管理、下層變換器控制的協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)了不同工作模式間的有效切換;最后仿真驗證了該裝置及其控制策略的正確性和有效性。——論文作者：劉若飛
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