儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)技術(shù)的研究

畢大強(qiáng) 張秋瑞 葛寶明

(1.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100084，北京;2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，100044，北京//第一作者，高級(jí)工程師)

城市軌道交通站間距離較短，列車起動(dòng)制動(dòng)頻繁，會(huì)產(chǎn)生非?？捎^的再生制動(dòng)能量。目前這部分能量主要被電阻以發(fā)熱的形式消耗掉，在造成能源浪費(fèi)的同時(shí)也污染了環(huán)境。

目前，儲(chǔ)能和逆變是再生制動(dòng)能量循環(huán)利用的主要方式。儲(chǔ)能的代表技術(shù)主要有蓄電池儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能3 種。能量回饋的代表技術(shù)主要是逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)和低壓負(fù)荷 2 類［1-2］。文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］研究了基于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的吸收技術(shù)。采用儲(chǔ)能系統(tǒng)可以緩沖再生制動(dòng)能量對(duì)交流電網(wǎng)的沖擊，列車牽引時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，防止直流牽引網(wǎng)電壓跌落較大;列車再生制動(dòng)時(shí)，吸收再生制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用。但是，儲(chǔ)能系統(tǒng)完全吸收再生制動(dòng)能量須滿足以下2 個(gè)條件:能夠儲(chǔ)存較多的再生制動(dòng)能量;能夠吸收兆瓦級(jí)以上的充電功率。而超級(jí)電容器的能量密度相對(duì)較低，因此需要增大超級(jí)電容器組的體積，這會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，也會(huì)占用寶貴的車下空間。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，其容量比超級(jí)電容大，但是充放電速率較慢，且電池壽命較短，大量使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染［5］。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有效率高、充電快捷、高儲(chǔ)能量等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量循環(huán)利用，但是飛輪的質(zhì)量較大、摩擦損耗問(wèn)題嚴(yán)重，并且維護(hù)費(fèi)用昂貴［6］。文獻(xiàn)［7］、文獻(xiàn)［8］研究了再生制動(dòng)能量并網(wǎng)利用技術(shù)，通過(guò)并網(wǎng)逆變器回饋給交流電網(wǎng)得以循環(huán)利用，但是列車再生制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)功率直接上升到峰值附近，呈現(xiàn)尖峰狀，如果直接回饋給交流電網(wǎng)，則對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊，將產(chǎn)生豐富的諧波。本文針對(duì)并網(wǎng)型和配有儲(chǔ)能裝置的不可控整流的再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)再生制動(dòng)能量處理時(shí)，并網(wǎng)方案與儲(chǔ)能方案互相補(bǔ)充，提高性能。該方案在列車起動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠釋放能量，給列車供電;在列車制動(dòng)時(shí)，可以使大部分能量通過(guò)并網(wǎng)逆變器回饋給交流電網(wǎng)，而儲(chǔ)能系統(tǒng)只用來(lái)吸收多余的少部分制動(dòng)能量，因此超級(jí)電容的體積和成本都可大大降低。另外，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的參與使回饋的再生制動(dòng)能量對(duì)交流電網(wǎng)的沖擊大大減小，入網(wǎng)電能質(zhì)量得到改善。本文在該方案的基礎(chǔ)上研究再生制動(dòng)能量的分配，對(duì)DC-DC 變換器和DC-AC 變換器設(shè)計(jì)了單獨(dú)的控制策略;并在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上給出了儲(chǔ)能優(yōu)先和并網(wǎng)優(yōu)先的控制策略，進(jìn)行仿真分析和對(duì)比。

1 儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

列車再生制動(dòng)時(shí)，直流牽引網(wǎng)電壓升高，通過(guò)儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)控制并聯(lián)在直流側(cè)的DC-AC 逆變器和雙向DC-DC 變換器，把列車再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量一部分回饋給交流電網(wǎng)中，另一部分儲(chǔ)存到超級(jí)電容中，能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)能量的再利用和維持直流牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定的作用，防止再生制動(dòng)失效。

圖1 是儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)由三相交流電源經(jīng)降壓變壓器降壓后與二極管構(gòu)成不可控整流來(lái)模擬變電所直流牽引供電系統(tǒng)，整流器輸出24 脈動(dòng)DC 750 V 電壓到直流牽引供電網(wǎng);電路后端加入了逆變器和電機(jī)，通過(guò)控制電機(jī)運(yùn)行的不同狀態(tài)來(lái)模擬機(jī)車運(yùn)行工況。

圖1 儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)圖

儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)采用雙向DC-DC 變換器和電壓型PWM 逆變器2 個(gè)功率變換器。當(dāng)列車起動(dòng)、直流牽引網(wǎng)電壓低于預(yù)設(shè)值時(shí)，超級(jí)電容通過(guò)雙向DC-DC 變換器開(kāi)始放電，降低直流牽引網(wǎng)電壓的跌落。當(dāng)列車再生制動(dòng)時(shí)，則分為并網(wǎng)優(yōu)先和儲(chǔ)能優(yōu)先2 種情況:

(1)并網(wǎng)優(yōu)先控制:當(dāng)直流牽引網(wǎng)電壓首先超過(guò)并網(wǎng)系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時(shí)，并網(wǎng)逆變器開(kāi)始啟動(dòng)，再生制動(dòng)能量回饋給交流電網(wǎng);當(dāng)超過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值時(shí)，儲(chǔ)能裝置啟動(dòng)，并網(wǎng)逆變器不工作，再生制動(dòng)能量通過(guò)雙向DC-DC 變換器儲(chǔ)存到超級(jí)電容組中。

(2)儲(chǔ)能優(yōu)先控制:當(dāng)直流牽引網(wǎng)電壓首先超過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值時(shí)，儲(chǔ)能裝置啟動(dòng)，此時(shí)再生制動(dòng)能量通過(guò)雙向DC-DC 變換器儲(chǔ)存到超級(jí)電容器組中;當(dāng)超過(guò)并網(wǎng)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值時(shí)，并網(wǎng)逆變器工作，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)不工作，再生制動(dòng)能量回饋給交流電網(wǎng)。

儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)，在列車牽引時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，防止直流牽引網(wǎng)電壓跌落較大，發(fā)生事故;在列車再生制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的參與，使再生制動(dòng)能量逆變回饋時(shí)減小對(duì)交流電網(wǎng)的沖擊;同時(shí)并網(wǎng)系統(tǒng)的參與也減小了超級(jí)電容的容量和體積，節(jié)約了成本。

2 控制策略

再生制動(dòng)能量在并網(wǎng)系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的分配可以有多種分配方法，主要通過(guò)控制直流牽引網(wǎng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)2 個(gè)系統(tǒng)之間的切換。本文主要研究并網(wǎng)優(yōu)先和儲(chǔ)能優(yōu)先2 種控制策略。

2.1 并網(wǎng)優(yōu)先控制策略

圖2 是并網(wǎng)優(yōu)先控制策略流程圖。列車起動(dòng)或者加速時(shí)，當(dāng)牽引網(wǎng)電壓UDC＜740V 時(shí)，超級(jí)電容開(kāi)始放電，補(bǔ)償牽引網(wǎng)電壓的跌落;再生制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量使?fàn)恳W(wǎng)電壓升高，當(dāng)電壓750 V≤UDC＜850 V 時(shí)并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)，再生制動(dòng)能量回饋給交流電網(wǎng);當(dāng)UDC≥850 V 時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)，吸收剩余的再生制動(dòng)能量。圖3a)、b)分別是儲(chǔ)能系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的邏輯判斷。

2.2 儲(chǔ)能優(yōu)先控制策略

圖4 是儲(chǔ)能優(yōu)先控制策略流程圖。列車起動(dòng)或者加速，牽引網(wǎng)電壓UDC＜740 V 時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)始放電，補(bǔ)償直流牽引網(wǎng)電壓的跌落;再生制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓750 V≤UDC＜830 V 時(shí)，超級(jí)電容通過(guò)雙向DC-DC 變換器吸收再生制動(dòng)能量;當(dāng)UDC≥830 V時(shí)并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)，回饋剩余的再生制動(dòng)能量。圖5a)、b)分別是儲(chǔ)能系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的邏輯判斷。

文中對(duì)電壓源型逆變器采用輸出電流控制，在電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)的d-q 坐標(biāo)系下，應(yīng)用同步矢量電流PI 控制器對(duì)逆變器輸出電流實(shí)施閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制，達(dá)到逆變器輸出單位功率因數(shù)的并網(wǎng)目的［9-12］。圖6 是DC-AC 控制框圖，外環(huán)是直流電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，通過(guò)控制電壓型逆變器，使再生制動(dòng)能量回饋到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用。

圖2 并網(wǎng)優(yōu)先控制策略下的流程圖

圖3 儲(chǔ)能優(yōu)先情況下的控制策略

圖7 是雙向DC-DC 變換器的控制框圖?？刂频闹饕康氖菧p小牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)采用的是電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，使儲(chǔ)能系統(tǒng)主要運(yùn)行在充電和放電2 種狀態(tài)。

圖4 儲(chǔ)能優(yōu)先控制策略下的流程圖

圖5 并網(wǎng)優(yōu)先情況下的控制策略

圖6 DC/AC 控制框圖

圖7 雙向DC-DC 變換器控制框圖

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

搭建了儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行分析。仿真參數(shù):①模擬牽引供電系統(tǒng)參數(shù)——三相交流電源電壓幅值E =10 kV，頻率f =50 Hz;②線路參數(shù)——線路電阻 R =0.01 Ω，線路電感 L=0.2 mH，直流側(cè)電容 C=12 400 μF;③電網(wǎng)側(cè)參數(shù)——電網(wǎng)線電壓380 V，濾波電感10 mH;④直流側(cè)參數(shù)——超級(jí)電容C=50 F，濾波電感L=4.17 mH;⑤開(kāi)關(guān)頻率fs=10 kHz。

3.2 仿真結(jié)果

圖8 是系統(tǒng)投入前后牽引網(wǎng)電壓的對(duì)比圖，其中圖8a)、b)分別是采用儲(chǔ)能優(yōu)先和并網(wǎng)優(yōu)先控制策略的直流牽引網(wǎng)電壓的仿真結(jié)果(UDC1、UDC2和UDC3)。當(dāng)列車啟動(dòng)或者加速時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠一定程度防止?fàn)恳W(wǎng)電壓跌落，制動(dòng)時(shí)均能維持牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

圖9 是再生制動(dòng)能量并網(wǎng)時(shí)逆變器輸出的并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓，圖9a)、b)分別是儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)先和并網(wǎng)優(yōu)先控制策略逆變器輸出電流的仿真波形(Ia1和Ia2)。圖中A 點(diǎn)(1.1 s)并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)，再生制動(dòng)能量回饋給電網(wǎng)，由圖可知Ia1和Ua同相位，功率因數(shù)較高。圖中B 點(diǎn)(1.02 s)并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)，由圖可知Ua和Ia2同相位，功率因數(shù)較高。

圖8 直流牽引網(wǎng)電壓

圖9 并網(wǎng)電流

分別對(duì)圖9a)、b)啟動(dòng)瞬間1 個(gè)周期(0.02 s)進(jìn)行諧波分析，其電流的諧波畸變率分別是rTHD1=11.42%和 rTHD2=16.79%，結(jié)果驗(yàn)證了上述分析。即:列車再生制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)功率呈現(xiàn)尖峰狀，直接上升至峰值附近，對(duì)交流電網(wǎng)產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊，將產(chǎn)生豐富的諧波?？芍?，當(dāng)列車再生制動(dòng)時(shí)，通過(guò)儲(chǔ)能裝置吸收尖峰狀的再生制動(dòng)能量，當(dāng)再生制動(dòng)能量平緩時(shí)再回饋給交流電網(wǎng)，減小制動(dòng)能量對(duì)電網(wǎng)的沖擊。仿真結(jié)果表明，儲(chǔ)能優(yōu)先控制比并網(wǎng)優(yōu)先控制策略更適合于軌道交通再生制動(dòng)能量回收。

4 試驗(yàn)分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備和條件分別搭建了儲(chǔ)能和并網(wǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。

4.1 儲(chǔ)能型試驗(yàn)

儲(chǔ)能系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)由74F 超級(jí)電容器模組、DC-DC 控制電路和單相電阻箱構(gòu)成，完成了儲(chǔ)能系統(tǒng)Buck 和Boost 工作模式的試驗(yàn)。圖10a)、b)分別是Boost 和Buck 試驗(yàn)主電路結(jié)構(gòu)圖。其中:超級(jí)電容端電壓UDC=12 V，直流電感L =3 mH，負(fù)載電阻R=12 Ω，預(yù)充電電阻 R0=100 Ω，穩(wěn)壓電容 C0=470 μF。

圖10 試驗(yàn)主電路結(jié)構(gòu)圖

圖11a)、b)分別是Boost 和Buck 電路的試驗(yàn)結(jié)果，圖11a)電壓從12 V 升壓至24 V，圖11b)電壓從30 V 降壓至15 V，雙向DC-DC 變換器實(shí)現(xiàn)了升降壓功能，為防止IGBT 上下橋臂發(fā)生導(dǎo)通從而燒壞，設(shè)置了死區(qū)，為 10 μs。

4.2 并網(wǎng)型試驗(yàn)

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件，對(duì)本文提出的DC-AC電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制算法進(jìn)行小功率的試驗(yàn)驗(yàn)證。圖12 是試驗(yàn)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖13a)是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)波形。試驗(yàn)結(jié)果表明:B 點(diǎn)時(shí)刻逆變器啟動(dòng)，直流母線電容電壓下降，如圖中A所示，最后穩(wěn)定在44 V 左右。圖中示波器:Ua，每格為10 V;UDC，每格為 20 V;Ia，每格為 10 A;Idc，每格為 10 A;t，每格為500 ms。圖13b)是穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)波形，試驗(yàn)結(jié)果表明:直流母線電容電壓UDC為44 V，電流IDC為6 A，逆變器輸出電流為6 A 且和電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)。圖中示波器:Ua，每格為10 V;UDC，每格為20 V;Ia，每格為 10 A;IDC，每格為 10 A;t，每格為 10 ms。

圖11 試驗(yàn)結(jié)果

圖12 試驗(yàn)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖13 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合列車再生制動(dòng)時(shí)制動(dòng)能量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量并網(wǎng)系統(tǒng)。列車起動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)雙向DC-DC 變換器放電;再生制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)共同參與對(duì)再生制動(dòng)能量的吸收。提出了并網(wǎng)優(yōu)先和儲(chǔ)能優(yōu)先2 種控制策略。通過(guò)理論分析和仿真，驗(yàn)證儲(chǔ)能優(yōu)先控制策略優(yōu)于并網(wǎng)優(yōu)先控制策略，即:提高了再生制動(dòng)能量利用率，減小了再生制動(dòng)能量對(duì)電網(wǎng)的沖擊，有效抑制了直流牽引網(wǎng)電壓的波動(dòng)，改善了系統(tǒng)效率。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了控制策略的正確性和有效性。

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