基于多目標(biāo)綜合控制的低碳軌道交通操控節(jié)能方案

袁 田

（1.江蘇省電力公司 檢修分公司 南京分部 鎮(zhèn)江工區(qū)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.東南大學(xué)，南京 210096）

基于多目標(biāo)綜合控制的低碳軌道交通操控節(jié)能方案

袁 田1,2

（1.江蘇省電力公司 檢修分公司 南京分部 鎮(zhèn)江工區(qū)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.東南大學(xué)，南京 210096）

提出一種應(yīng)用于軌道交通供電系統(tǒng)的多目標(biāo)綜合控制節(jié)能方案。采用可控高功率因數(shù)整流的AC/DC變流模塊取代傳統(tǒng)的整流電路以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，并采用多個(gè)AC/DC變流模塊并聯(lián)的形式來擴(kuò)大整個(gè)方案容量，同時(shí)在直流牽引母線處裝有一臺(tái)或多臺(tái)并聯(lián)DC/DC變流模塊，使機(jī)車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能可部分通過AC/DC模塊回饋到電網(wǎng)，部分通過DC/DC模塊升壓后存儲(chǔ)到獨(dú)立電容器組。研究表明，該方案不僅可以充分回收及利用制動(dòng)能量，并通過部分吸收回饋能量來克服所有能量瞬時(shí)回饋電網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，還可以通過對牽引變電站諧波及無功的補(bǔ)償改善軌道交通變電站的電能質(zhì)量，從各個(gè)角度提升節(jié)能功效。

多目標(biāo)綜合控制；軌道交通；可控高功率因數(shù)

節(jié)約能源是我國的一項(xiàng)基本國策，是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，交通擁擠狀況成為新興城市發(fā)展的一個(gè)重大障礙。在各大城市中，發(fā)展和建設(shè)快速的軌道交通系統(tǒng)已勢在必行。目前，我國已有15個(gè)城市正在申請修建軌道交通和輕軌道路，線路總長超過430 km，建設(shè)投資約1 400億元人民幣。到2025年，我國將有30個(gè)以上的大中城市建成軌道交通網(wǎng)，軌道交通將成為大中城市的主要交通網(wǎng)[1—2]。

目前國內(nèi)城市軌道交通大多數(shù)采用電阻能耗吸收方案處理列車運(yùn)行過程中的再生能量，這不僅浪費(fèi)能量，而且也增加了站內(nèi)空調(diào)通風(fēng)方案的負(fù)擔(dān)，并使城軌建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加。有研究提出可以將飛輪儲(chǔ)能型或電容儲(chǔ)能型制動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于軌道交通線路，采用IGBT逆變器將列車的再生制動(dòng)能量吸收到飛輪電動(dòng)機(jī)或大容量電容中。這一技術(shù)理論上具有一定的實(shí)用價(jià)值，但飛輪儲(chǔ)能型制動(dòng)技術(shù)的儲(chǔ)能元件為飛輪電動(dòng)機(jī)。由于飛輪長時(shí)間處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，且飛輪質(zhì)量很大，故摩擦耗能問題嚴(yán)重，飛輪工作壽命短。另外現(xiàn)有電容儲(chǔ)能型制動(dòng)技術(shù)的吸收設(shè)備每次存儲(chǔ)滿電能后都要將電容上的電能釋放消耗掉，否則下次工作電容無法吸收制動(dòng)能量。這些缺陷在一定程度上限制了節(jié)能效果的進(jìn)一步改善[3—5]。

本文提出一種針對軌道交通供電系統(tǒng)的多目標(biāo)綜合控制的節(jié)能方法，該方法能夠使再生制動(dòng)能量在系統(tǒng)中優(yōu)化分配并能夠?qū)恳冸娬镜闹C波、無功進(jìn)行補(bǔ)償，從而在降低軌道交通供電系統(tǒng)能耗的同時(shí)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善電能質(zhì)量。

1 軌道交通節(jié)能方案模型

對于大城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)，普遍采用直/交變壓變頻的傳動(dòng)方式，車輛的制動(dòng)方式為電制動(dòng)（再生制動(dòng)）+空氣制動(dòng)，運(yùn)行中以電制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔。列車在運(yùn)行過程中，由于站間距較短，列車啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀。軌道交通再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量除了一定比例（一般為20%～80%）被其他相鄰列車吸收利用外，剩余部分將主要被列車的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或被線路上的吸收方案吸收，造成再生能量較大的流失[6—7]。

本文提出的這種新型軌道交通供電系統(tǒng)的多目標(biāo)綜合控制節(jié)能方法，其核心體現(xiàn)在將制動(dòng)能量通過逆變方式回饋電網(wǎng)以及將制動(dòng)能量的一部分通過超級電容吸收，在牽引變電站發(fā)生故障的情況下，將這部分能量釋放出來，維持直流牽引網(wǎng)的電壓，保證列車的繼續(xù)行駛。具體節(jié)能操控方案結(jié)構(gòu)模型圖如圖1所示。

圖1 新型節(jié)能軌道交通操控模型

這一節(jié)能模式主要采用可控高功率因數(shù)整流的AC/DC變流模塊取代傳統(tǒng)的整流電路，以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，并可通過高功率因數(shù)整流技術(shù)抑制自身諧波。多個(gè)AC/DC模塊的直流側(cè)連接到一個(gè)公用的電容器組上以擴(kuò)大方案的容量，直流牽引母線從此電容器組正、負(fù)極引出。同時(shí)在直流牽引母線處裝有一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的DC/DC變換器，通過升壓將吸收的部分電能存儲(chǔ)到電容器組中。這就使機(jī)車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量可部分通過AC/DC模塊回饋到電網(wǎng)，部分通過DC/DC模塊存儲(chǔ)到獨(dú)立電容器組，克服了所有能量瞬時(shí)回饋電網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊。

除此之外，還采用多目標(biāo)綜合節(jié)能的控制方法控制2部分電路，優(yōu)化能量在系統(tǒng)中的分配，使制動(dòng)能量的消耗大幅降低；控制系統(tǒng)還檢測牽引變電站其它非牽引負(fù)荷的諧波和無功分量，觸發(fā)AC/DC變流模塊在能力允許的情況下進(jìn)行逆變，對這部分諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，避免對電網(wǎng)的沖擊和污染，以達(dá)到間接節(jié)能的目的[8—10]。

2 軌道交通節(jié)能控制模塊功能解析

這種新型軌道交通供電系統(tǒng)的多目標(biāo)綜合控制節(jié)能方案的控制電路包括核心控制器、DC/DC本地控制器和AC/DC本地控制器，其中核心控制器包括核心控制功能模塊、能量吸收集中控制功能模塊、能量回饋集中控制功能模塊。

2.1 能量回饋及吸收主電路

這種應(yīng)用于軌道交通牽引變電站的新型節(jié)能方案采用大功率電力電子拓?fù)淙〈械?4脈波整流電路，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，同時(shí)在直流牽引母線處并聯(lián)一個(gè)三電平DC/DC變換器（也可并聯(lián)多個(gè)），吸收一部分再生能量以備不時(shí)之需，同時(shí)綜合控制2部分電路，可以達(dá)到系統(tǒng)整體性能最優(yōu)。其原理主電路如圖2所示。

2.2 控制電路的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)軌道交通供電系統(tǒng)的多目標(biāo)綜合控制節(jié)能方案的控制電路示意圖如圖3所示。鑒于控制的模塊眾多，控制對象的復(fù)雜，系統(tǒng)的控制分為3層：最頂層為核心控制層，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)能量吸收和能量回饋2部分模塊的能量分配；中間層分別為能量吸收和能量回饋的集中控制，負(fù)責(zé)電力電子器件的脈沖分配和功率模塊的故障處理；最底層為功率模塊的本地控制器，負(fù)責(zé)接收上層的下發(fā)命令、數(shù)據(jù)采樣，控制本系統(tǒng)的功率器件及上傳必要控制檢測信號。

其中，各部分控制器實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1）核心控制器的核心控制功能模塊由DSP（數(shù)字信號處理器）實(shí)現(xiàn)：其輸入端是軌道交通變電站其他非牽引負(fù)荷采樣、直流牽引母線采樣的電壓、電流信息，以及各DC/DC模塊的獨(dú)立電容器組電壓信息，這些信息由傳感器獲取；其輸出端與能量吸收集中控制功能模塊相連，輸出能量吸收、釋放命令信號，同時(shí)與能量回饋集中控制功能模塊相連，輸出能量回饋、無功、諧波補(bǔ)償命令信號。

圖2 軌道交通制動(dòng)能量回饋及吸收方案主電路拓?fù)?/p>

圖3 節(jié)能式軌道交通供電系統(tǒng)控制電路示意圖

（2）核心控制器的能量吸收集中控制功能模塊由FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）實(shí)現(xiàn)：其輸入端與核心控制功能模塊相連；其雙向輸入、輸出端與DC/DC本地控制器通過光纖相連，輸入反饋的檢測信號和采樣數(shù)據(jù)，輸出上層控制命令信號。

（3）核心控制器的能量回饋集中控制功能模塊由FPGA實(shí)現(xiàn)：其輸入端與核心控制功能模塊相連；其雙向輸入、輸出端與AC/DC本地控制器通過光纖相連，輸入反饋的檢測信號和采樣數(shù)據(jù)，輸出上層控制命令信號。

（4）DC/DC本地控制器由DSP實(shí)現(xiàn)：其雙向輸入、輸出端與能量吸收集中控制功能模塊通過光纖相連；IGBT控制輸出端與DC/DC模塊的驅(qū)動(dòng)電路相連，輸出驅(qū)動(dòng)控制信號。

（5）AC/DC本地控制器由DSP實(shí)現(xiàn)：其雙向輸入、輸出端與能量回饋集中控制功能模塊通過光纖相連；IGBT控制輸出端與AC/DC模塊的驅(qū)動(dòng)電路相連，輸出驅(qū)動(dòng)控制信號。

2.3 三電平控制回路

鑒于現(xiàn)有地鐵的牽引母線直流電壓等級為1 500 V，因此該電路采用雙向三電平Buck?boost型DC/DC變換電路。該電路開關(guān)管電壓應(yīng)力只有牽引母線直流電壓的1/2，輸出濾波電感小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。機(jī)車制動(dòng)給電容器組充電時(shí)該電路工作在Buck降壓模式，當(dāng)電容器組放電時(shí)該電路工作在Boost升壓模式。圖4（a）所示為三電平AC/DC模塊的電路拓?fù)洌撏負(fù)浼炊O管鉗位的電壓型PWM整流器，每個(gè)橋臂由2個(gè)全控型器件IGBT串聯(lián)構(gòu)成，而每個(gè)半橋的2個(gè)串聯(lián)器件的中點(diǎn)通過鉗位二極管和直流側(cè)的電容器組的中點(diǎn)N相連。其優(yōu)點(diǎn)是電路易于控制，且主開關(guān)器件僅承受一半的母線直流電壓，適合于高壓大容量的場合。另外通過合理控制各個(gè)IGBT的通斷可使整流器的輸入電流跟蹤電壓，提高其功率因數(shù)，抑制裝置本身注入到交流電網(wǎng)中的諧波。同時(shí)，通過由直流側(cè)到交流側(cè)的逆變，最終可實(shí)現(xiàn)諧波、無功補(bǔ)償?shù)墓δ?，以改善牽引變電站?nèi)的電能質(zhì)量。

逆變回饋的主電路拓?fù)洳粌H可以實(shí)現(xiàn)能量的高功率因數(shù)雙向流動(dòng)，而且在該電路拓?fù)湎?，研究相?yīng)的控制技術(shù)使得軌道交通牽引負(fù)荷對電網(wǎng)的影響達(dá)到最小，同時(shí)又可以使該方案補(bǔ)償無功以及抑制諧波。

3 軌道交通實(shí)際運(yùn)行模擬分析

軌道交通列車進(jìn)出站的能量在主電路中的流動(dòng)分為以下幾種情況：

（1）列車進(jìn)站

當(dāng)機(jī)車進(jìn)站時(shí)（如圖4所示），機(jī)車減速，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能返還到直流母線上，電容器組a電壓上升，先通過DC/DC模塊向電容器組b充電儲(chǔ)能，在此階段AC/DC模塊是閉鎖的。當(dāng)電容器組b達(dá)到電壓上限值后，電能通過AC/DC模塊返還到交流電網(wǎng)中，此時(shí)DC/DC模塊是閉鎖的。

（2）列車出站

當(dāng)機(jī)車出站時(shí)（如圖5所示），機(jī)車加速，電容器組b的儲(chǔ)能通過DC/DC模塊返還到直流母線上，電容器組a電壓上升，直流母線上的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)車的動(dòng)能，在此階段AC/DC模塊是閉鎖的。當(dāng)電容器組b的電壓低于下限值后，DC/DC模塊閉鎖，交流電網(wǎng)中的電能通過AC/DC模塊輸送到直流母線上。

（3）正常運(yùn)行（平衡狀態(tài)）

機(jī)車正常運(yùn)行于平衡狀態(tài)下（如圖6所示），交流電網(wǎng)中的電能通過AC/DC模塊輸送到直流母線上，電容器組a電壓上升，直流母線上的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)車的動(dòng)能。電容器組a與電容器組b中的儲(chǔ)能通過DC/DC模塊達(dá)到能量的動(dòng)態(tài)平衡，以使電容器組b電壓維持在定值。

圖4 機(jī)車進(jìn)站能量流動(dòng)圖

圖5 機(jī)車出站能量流動(dòng)圖

圖6 機(jī)車平衡狀態(tài)下能量流動(dòng)圖（電容器組b電壓維持定值）

4 結(jié)論

本文基于多目標(biāo)的控制模式對新型軌道交通的節(jié)能運(yùn)行進(jìn)行了分析，不僅通過電力電子技術(shù)解決軌道交通制動(dòng)能量再生利用的問題，而且通過主電路拓?fù)涞母倪M(jìn)，控制上同時(shí)采集牽引變電站其它負(fù)荷電流的值，達(dá)到降低線路損耗節(jié)能的目標(biāo)。結(jié)果表明這一新型多目標(biāo)綜合控制方案在節(jié)能方面具有以下4點(diǎn)可取性。

（1）不僅實(shí)現(xiàn)了能量的再生制動(dòng)，將軌道交通再生制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)或用電容存儲(chǔ)，可大幅減少制動(dòng)能量消耗，還通過部分吸收能量、部分回饋能量來克服所有再生制動(dòng)能量瞬時(shí)回饋電網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊。

（2）實(shí)現(xiàn)了對牽引變電站諧波及無功的補(bǔ)償，可以改善軌道交通變電站的電能質(zhì)量，間接起到節(jié)能功效。

（3）通過自身的高功率因數(shù)整流減少了節(jié)能方案對交流電網(wǎng)的諧波污染，并間接起到節(jié)能功效。

（4）解決了現(xiàn)有電容儲(chǔ)能型制動(dòng)技術(shù)中對儲(chǔ)滿電能后必須釋放消耗的限制，提升了節(jié)能效果

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［1］李永東.高性能大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(2)：1-10.

［2］許愛國,謝少軍，姚遠(yuǎn)，等.基于超級電容的城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(3)：117-121.

［3］沈茂盛,劉志剛，張鋼，等.采用三電平電壓型PWM整流器的地鐵牽引供電系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(7)：74-78.

［4］李永東,王琛琛.交流變頻調(diào)速在軌道交通牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣時(shí)代,2005,25(5)：58-62.

［5］張文麗,李群湛,劉煒，等.地鐵列車再生制動(dòng)節(jié)能仿真研究[J].變流技術(shù)與電力牽引,2008(3)：41-44.

［6］李鯤鵬,張振生.廣州地鐵4號線地面制動(dòng)電阻的設(shè)計(jì)[J].機(jī)車電傳動(dòng),2005(5)：43-46.

［7］Michael S,Markus K,Stanislaus P.Energy storage system with ultra caps on board of railway vehicles[C].2007 Euro?pean Conference on Power Electronics and Applications,2007：1-10.

［8］王彥崢,蘇鵬程.城市軌道交通再生電能回收技術(shù)方案的研究[J].電氣化鐵道,2004(2)：37-40.

［9］Zhang Junhong,Lai Jihsheng,Kim RaeYoung,et al.High?power density design of a soft?switching?high?power bidi?rectional dc?dc converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(4)：1 145-1 153.

［10］Linzen D,Buller S,Karden E.Analysis and evaluation of charge balancing circuits on performance,reliability and lifetime of super capacitor systems[J].IEEE Trans.on Industry Applications,2005（41）：1 135-1 141.

［11］Baughman A C,Ferdowsi M.Double?tiered switched?ca?pacitor battery charge equalization technique[J].IEEE Trans.on Industry Electron，2008（55）：2 277-2 285.

［12］童亦斌,吳峂,金新民,等.雙向DC/DC變換器的拓?fù)溲芯縖J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(13)：81-86.

［13］Xu Dehong,Zhao Chuanhong,Fan Haifeng.A PWM plus phase?shift control bidirectional DC?DC converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(3)：666-675.

［14］XiaoHuafeng,XieShaojun.AZVSbidirectionalDC–DC converter with phase?shift plus PWM control scheme[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(2)：813-823.

［15］伍小杰.三相電壓型PWM整流器控制技術(shù)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(12)：7-12.

Low carbon rail transit control mode based on integrated multi?objective control model

YUAN Tian1，2
（1.Maintenance Branch,Zhenjiang Work Zone,Jiangsu Electric Power Company,Zhenjiang 212000，China；2.Southeast University,Nanjing 210096,China）

In response to low carbon,the paper presented a novel low carbon rail transit control mode based on integrated multi?objective control model.Traditional rectifier circuit was replaced by controllable high power factor rectification of AC/DC converter module for energy flow,and parallel form of multiple AC/DC con?verter modules were used to expand the program capacity.One or more paralleled DC/DC converter modules were set in DC traction bus,so the locomotive braking power can be feed back to the grid partly through the AC/DC module,and partly stored to indepen?dent capacitors through the boost DC/DC module.The conclusion showed that the program can not only make full recovery and use of braking energy,but also reduced the impact of instantaneous ener?gy on power grids through all absorbed energy.At the same time,harmonic and reactive power compensation on traction substation may greatly improve the power quality and energy efficiency of rail transit in all aspects.

multi?objective integrated control；rail transit；controllable high power factor

TK018；F407.61

C

1009-1831（2012）02-0033-04

2011-10-19

袁田（1985），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程碩士研究生在讀，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃和可靠性、電力系統(tǒng)穩(wěn)定和控制。