一種模塊化城軌超級電容儲能系統(tǒng)及其控制方法

陳廣贊，劉 蘭，黃德亮，易韻嵐

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

城市軌道交通作為現(xiàn)代大城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對緩解交通擁堵、提高人們生活品質(zhì)乃至城市發(fā)展都起著重要作用。截至2019 年底，中國內(nèi)地累計(jì)有40 個城市開通了城市軌道交通運(yùn)營，運(yùn)營線路長達(dá)6 730.27 km[1]。隨著里程數(shù)的增加，地鐵也成為電網(wǎng)的用電大戶之一。根據(jù)青島地鐵3 號線運(yùn)營人員介紹，電費(fèi)支出占該地鐵運(yùn)營成本的30%左右[2]。顯然，提高城市軌道交通供電系統(tǒng)能源效率已成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、促進(jìn)城市不斷健康發(fā)展的必然要求之一。

由于城市軌道交通站間距離較短，致使車輛制動行為頻繁，回饋到直流牽引電網(wǎng)的制動能量一般為輸入牽引能量的38%，甚至更多。列車再生制動能量數(shù)量可觀，其中一部分能量被相鄰的列車吸收，另一部分能量將通過電網(wǎng)由變電站吸收，能量變化將引起網(wǎng)壓的抬升和波動。為了抑制再生制動引起的牽引網(wǎng)網(wǎng)壓抬升，城市軌道交通再生制動能量的回饋吸收利用成為近年來研究的熱點(diǎn)之一[3]。目前，比較成熟并且有商業(yè)應(yīng)用的技術(shù)主要是能量回饋技術(shù)和超級電容器儲能技術(shù)[4]；其并網(wǎng)式逆變能量回饋系統(tǒng)制動持續(xù)時間短、瞬時功率大；其與交流電網(wǎng)相接，回流到交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量很差，會對交流電網(wǎng)造成較大的沖擊和電力污染。而超級電容儲能技術(shù)因超級電容器具有充放電速度快和循環(huán)壽命長的特點(diǎn)，很適合存儲地鐵列車的制動能量，不僅可實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而且還能大大減小牽引供電的峰值容量，產(chǎn)生削峰填谷的作用[5]。

城軌列車再生制動能量若采用超級電容器回收利用，則須配備雙向直流變換器，以實(shí)現(xiàn)電壓匹配及充放電功率控制。目前有國外廠家，如西門子公司、龐巴迪公司和ABB 公司，開始在推廣應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)及其產(chǎn)品；但國內(nèi)還未見批量化應(yīng)用及成熟產(chǎn)品的報道。此外，由于國內(nèi)地鐵大多采用DC 1 500 V 制式牽引網(wǎng)電壓，而目前雙向直流變換器產(chǎn)品大多采用3 300 V 規(guī)格的功率器件，存在開關(guān)頻率低、裝置體積大、動態(tài)響應(yīng)慢和效率不高等技術(shù)瓶頸。對此，本文提出一種基于模塊化串并聯(lián)的系統(tǒng)拓?fù)洌洳捎没诘蛪浩骷M(jìn)行高頻開關(guān)變換的變換器模塊來實(shí)現(xiàn)具有快速電流響應(yīng)、大功率及高效等特點(diǎn)的超級電容儲能系統(tǒng)，并通過分析超級電容儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)并研制了一套300 kW 儲能裝置，且通過實(shí)際線路運(yùn)行對該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 超級電容儲能系統(tǒng)技術(shù)要求

目前再生制動能量利用系統(tǒng)被配置于城市軌道交通（地鐵）變電所（站）內(nèi)，主要包括3 種：能量逆變系統(tǒng)（energy return system，ERS）、制動電阻消耗系統(tǒng)（energy deplete system，EDS）和超級電容儲能系統(tǒng)（regenerative energy storage system，ESS）。幾種系統(tǒng)的對比示意如圖1 所示?？梢钥闯觯?ERS 將制動能量回饋到交流電網(wǎng)，但是會對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響； EDS消耗列車再生制動能量，不會對交流電網(wǎng)產(chǎn)生影響，但不具備二次回收利用功能；ESS 主要用于儲存制動產(chǎn)生的再生電能，并在車輛牽引時釋放電能，對交流電網(wǎng)不會產(chǎn)生影響。因此，ESS 在現(xiàn)有幾種能量利用系統(tǒng)中是最優(yōu)解決方案。

圖1 地鐵供電與制動能量吸收系統(tǒng)Fig. 1 Metro power supply system and braking energy absorption system

（1）雙向大功率變換（MW 級）

當(dāng)城軌車輛制動時，產(chǎn)生的峰值功率可達(dá)到4 MW以上。理論上，大部分的制動能量可以被鄰近列車所吸收，但是實(shí)際系統(tǒng)需考慮各種非理想條件或意外狀態(tài)下的安全運(yùn)行需求，因此雙向直流變換裝置的功率容量應(yīng)在1 MW 以上。

（2）超級電容工作電壓范圍

國內(nèi)地鐵接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)制式大多為DC 1 500 V，少數(shù)地方為DC 750 V，可通過12 脈波或24 脈波不可控二極管整流裝置得到。超級電容器工作電壓區(qū)間一般為1/2Ue～Ue，其中Ue為額定工作電壓[6]。因此，雙向直流變換裝置需要通過多個儲能單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并且同時滿足牽引網(wǎng)電壓和超級電容電壓變比范圍的要求[7]。

（3）動態(tài)性能

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展加速了不同地區(qū)的人口流動，也帶來了背景各異的生源。免試入學(xué)也使得學(xué)校無法把控生源素質(zhì)，政策的公平化對教育提出了更高的要求。部分家長抱著經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)教育水平相對高的想法，在新的城市站穩(wěn)腳跟后，費(fèi)盡人力財(cái)力將孩子接來上學(xué)，期待孩子在學(xué)習(xí)上有新的突破，而由于兩地教學(xué)進(jìn)度、模式、甚至教材版本的不同，使得結(jié)果適得其反。有的學(xué)生由于地區(qū)英語教學(xué)水平或者進(jìn)度的不同，造成了英語學(xué)習(xí)的脫節(jié)。同時，生源的多樣性使得學(xué)生個體的個性化日益突顯，教學(xué)不僅要讓學(xué)生能學(xué)，還要讓學(xué)生想學(xué)。因此，因材施教的教育理念勢在必行，而分層教學(xué)則是因材施教具體實(shí)施的一個重要模式。

城軌列車制動頻繁，牽引電網(wǎng)的電壓變化非常劇烈，DC 1 500 V制式牽引網(wǎng)壓在DC 1 000～1 800 V之間波動，因此雙向直流變換裝置應(yīng)能對列車制動迅速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)超級電容器組的快速充放電[8-9]。

（4）高穩(wěn)定性和可靠性

軌道交通作為城市交通運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)施，一旦發(fā)生停車事故，將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及不良的社會影響，故要求能量回收系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

（5）系統(tǒng)容量配置的靈活性和擴(kuò)展性

由于城市人口空間密度、線路負(fù)荷的差異，而不同線路和不同時期具有不同的功率需求，故在系統(tǒng)容量擴(kuò)展性方面，要求儲能系統(tǒng)能夠按照需求方便地進(jìn)行擴(kuò)容。

（6）效率、成本、體積及重量

再生制動能量儲存與循環(huán)應(yīng)滿足節(jié)能及低成本的要求，因此要求雙向直流變換器效率高、成本低。此外，考慮到安裝空間的局限性（尤其是改造項(xiàng)目）、運(yùn)維的便利性（如經(jīng)由人行通道），要求儲能裝置體積小、重量輕且可靈活裝配。

2 雙向直流變換模塊串并聯(lián)設(shè)計(jì)

在DC 1 500 V 電壓等級下，地鐵牽引接觸網(wǎng)電壓在DC 1 000 ～1 800 V 范圍內(nèi)波動，功率變換器一般選擇額定耐受電壓為3 300 V 的IGBT 作為開關(guān)器件，但其存在開關(guān)頻率低（如2 kHz 以下）、電感器和電容器等無源元件體積與重量大、安裝和維護(hù)不方便以及動態(tài)響應(yīng)慢、效率低等問題。另一方面，高壓開關(guān)變換會引起較大的電壓變化率（dv/dt），產(chǎn)生電磁干擾，不僅影響儲能系統(tǒng)的自身檢測和控制，還會影響其他相鄰電氣設(shè)備及軌道交通的通信信號。

為了適應(yīng)城市軌道交通不同線路的不同應(yīng)用功率需求，采用模塊化的大功率雙向直流變換模塊通過串聯(lián)和并聯(lián)方式滿足不同變電站儲能需求，實(shí)現(xiàn)電源變換，包括DC 1 500 V 和DC 750 V 兩種電壓等級。

圖2 示出超級電容儲能系統(tǒng)拓?fù)洌洳捎? 個雙向直流變換模塊并聯(lián)后再連接一組超級電容器組（supercapacitor, SC）結(jié)構(gòu)。這是在DC 750 V 直流電網(wǎng)條件下所采用的系統(tǒng)拓?fù)洌绷髯儞Q模塊的開關(guān)頻率可高達(dá)10 ～20 kHz，具有快速的電流響應(yīng)能力。

圖2 3 模塊并聯(lián)的750 V 超級電容儲能系統(tǒng)Fig. 2 750 V super capacitor energy storage system with three-module parallel

圖3 示出6 個雙向直流功率變換模塊（3 并2 串）組成的超級電容儲能系統(tǒng)拓?fù)?。其中? 個奇數(shù)模塊和3 個偶數(shù)模塊分別并聯(lián)成兩組變換器，每組變換器各連接一組超級電容組（SC1和SC2）；然后兩組系統(tǒng)在直流輸入側(cè)串聯(lián)連接，從而實(shí)現(xiàn)DC 1 500 V 直流接觸網(wǎng)接入的儲能系統(tǒng)拓?fù)洹?/p>

圖3 3 并2 串模塊結(jié)構(gòu)超級電容儲能系統(tǒng)Fig. 3 Super capacitor energy storage system with 3-module parallel and 2-converter series architecture

上述模塊化串并聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浞桨傅膬?yōu)點(diǎn)是：模塊化擴(kuò)容方便，串并聯(lián)配置靈活；高壓系統(tǒng)可采用低壓器件，實(shí)現(xiàn)高效率、高頻化、小型化，減小dv/dt干擾；可實(shí)現(xiàn)冗余配置，提高系統(tǒng)可靠性，且安裝簡單、維修方便。此外，由于系統(tǒng)拓?fù)洳捎玫碗妷焊哳l模塊串并聯(lián)，在系統(tǒng)控制上能實(shí)現(xiàn)快速動態(tài)響應(yīng)。

3 ESS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由n個雙向直流變換模塊（paralleled module, PM）并聯(lián)的ESS 超級電容儲能系統(tǒng)如圖4 所示。其中能量流動的兩個端口分別為直流電網(wǎng)（DC-BUS）和超級電容器組SC。此外，超級電容儲能系統(tǒng)配置了一個控制端口，以與直流電網(wǎng)潮流監(jiān)測控制系統(tǒng)（簡稱“CSU”，或稱“上位機(jī)”）實(shí)現(xiàn)通信，接受CSU 對于能量流動的電流控制指令，并提供相應(yīng)的電流和電壓信息。

圖4 n 模塊并聯(lián)的超級電容儲能系統(tǒng)組成圖Fig. 4 Composition diagram of two-way DC conversion system with n-module parallel

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 示出DC 750 V 牽引電網(wǎng)下，多模塊并聯(lián)超級電容儲能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖6 示出DC 1 500 V 牽引電網(wǎng)下，多模塊串并聯(lián)超級電容儲能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中雙向直流變換模塊采用Buck/Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高壓側(cè)連接直流牽引電網(wǎng)，低壓側(cè)連接超級電容組。下面主要介紹直流變換模塊的設(shè)計(jì)。

圖5 多模塊并聯(lián)DC 750 V 超級電容儲能系統(tǒng) Fig. 5 DC 750 V super capacitor energy storage system with multi-module parallel

圖6 多模塊串并聯(lián)1 500 V 超級電容儲能系統(tǒng)Fig. 6 DC 1 500 V super capacitor energy storage system with multi-module parallel and series

3.2 功率控制

在充電模式和放電模式下，超級電容儲能系統(tǒng)的控制單元（圖7）具有恒電流控制和恒功率控制功能，同時具有限壓保護(hù)功能，能避免超級電容器在規(guī)定的電壓范圍外工作[10-11]。由上位機(jī)控制系統(tǒng)（HCU）中的PLC 控制單元檢測雙向DC/DC 斬波柜網(wǎng)側(cè)接入端和電容側(cè)接入端的電壓，判斷是否滿足超級電容儲能裝置啟動的條件，并給出投入、退出指令；在恒流或恒功模式下，由變流模塊控制系統(tǒng)自身執(zhí)行判斷實(shí)際輸出的電流值或功率值，控制開關(guān)器件的開閉，均衡模塊間的電流及電壓。最小和最大功率限制值可由HCU 給出限制值來實(shí)現(xiàn)[12]。

圖7 系統(tǒng)邏輯控制圖Fig. 7 Logic control diagram of the system

3.3 串聯(lián)系統(tǒng)的直流分壓控制

DC 1 500 V 系統(tǒng)的超級電容儲能系統(tǒng)采用直流輸入側(cè)模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的技術(shù)關(guān)鍵是：無論輕載或滿載，均要保證輸入直流電壓的均衡，以確保每個模塊的輸入電壓均在安全工作電壓范圍內(nèi)[13]。

3.3.1 損耗模型及電壓平衡方案

首先，考慮奇數(shù)模塊和偶數(shù)模塊及其連接的超級電容器組的損耗差異。式（1）中，奇偶兩組線路的損耗用P1和P2表示，其損耗的平均值為Pd，損耗差為ΔP，則：

然后考慮電壓平衡方案。圖8 示出模塊化串并聯(lián)超級電容儲能系統(tǒng)的奇偶線路損耗模型與兩個電壓平衡控制方案。圖8（a）示出考慮奇偶兩組線路損耗差異的等效電路，如果沒有電壓平衡控制，損耗差異將累積，造成上下串聯(lián)模塊輸入電壓的嚴(yán)重不平衡。串聯(lián)結(jié)構(gòu)直流分壓的一個簡單控制方法是采用平衡電阻，如圖8（b）所示，在串聯(lián)系統(tǒng)的上下兩部分各自并聯(lián)一個平衡電阻器（R1和R2），該方案明顯的缺點(diǎn)是引入了額外的電阻損耗且必須允許存在輕度的電壓不均衡。采用電壓均衡開關(guān)橋臂調(diào)節(jié)中點(diǎn)電流和電壓是控制串聯(lián)系統(tǒng)直流分壓的另一個有效途徑，如圖8(c)所示，該方案具有較高的調(diào)節(jié)能力和效率，但是需要額外的開關(guān)變換橋臂及其控制器。

圖8 模塊化串并聯(lián)儲能系統(tǒng)電壓平衡解決方案Fig. 8 Voltage balancing solutions of the modularized serial and parallel energy storage system

3.3.2 平衡電阻方案

本文采用平衡電阻方案來控制串聯(lián)系統(tǒng)的直流分壓，對平衡電阻的設(shè)計(jì)如下：

（1）確定允許的最大電壓偏差ΔV

平衡電阻的功率調(diào)節(jié)能力依賴于串聯(lián)系統(tǒng)直流分壓偏差，因此需依據(jù)牽引網(wǎng)電壓工作范圍和雙向直流變換模塊的安全工作電壓范圍，假設(shè)串聯(lián)系統(tǒng)最大允許的直流分壓偏差為ΔV，Vd1和Vd2分別為上、下模塊電壓值，Vd為模塊串聯(lián)后的電壓值，則有

本文設(shè)定ΔV為額定電壓的10%，對應(yīng)于1 500 V系統(tǒng)，ΔV=150 V。

設(shè)功率差異為ΔPR，則：

（2）串聯(lián)系統(tǒng)的功率平衡需求

正常情況下，假定在幾百千瓦到兆瓦的功率變換等級，上下兩部分的損耗差異最大值不超過每部分額定功率的0.3%，相當(dāng)于串聯(lián)系統(tǒng)總功率（PN）的0.15%（不考慮故障狀態(tài)下效率差異的異常，如超級電容器組部分串聯(lián)模塊的性能劣化等），且Buck/Boost 變換器在高壓側(cè)電壓增高時開關(guān)損耗也相應(yīng)地增大（有利于減小功率差異）；考慮地鐵列車制動能量吸收具有間歇性，滿載運(yùn)行的時間占空比小于三分之一（120 s 周期內(nèi)，40 s充放電），即大部分時間不產(chǎn)生功率損耗，則串聯(lián)系統(tǒng)上下兩部分的平均功率損耗偏差為

由ΔP≤ΔPR并結(jié)合式（5）和式（6），可獲得串聯(lián)系統(tǒng)電壓平衡所需要的兩個平衡電阻阻值及其引入的額外損耗：

設(shè)置ΔV為額定電壓的10%時，在額定電壓條件下，兩個電阻的總損耗為

4 試驗(yàn)和運(yùn)行結(jié)果

本文基于一套用于DC 1 500 V 系統(tǒng)的超級電容儲能系統(tǒng)樣機(jī)展開試驗(yàn)，其包括3 并2 串共6 個功率模塊，系統(tǒng)額定功率為300 kW，雙向直流變換功率模塊規(guī)格為50 kW，超級電容器組側(cè)額定電壓為550 V，開關(guān)頻率為20 kHz，滿載效率為97%。超級電容器組采用Maxwell 的48V165F 規(guī)格模塊，通過串并聯(lián)構(gòu)成兩個624 V/38 F 的超級電容器組。圖9 示出樣機(jī)實(shí)物。該樣機(jī)通過了基于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25122.1-2010《軌道交通 機(jī)車車輛用電力變流器 第1 部分：特性和試驗(yàn)方法》和IEC60146-1-1：2009Semiconductor converters-General requirements and line commutated converters-Part1-1:Specification of basic requirements等標(biāo)準(zhǔn)的型式試驗(yàn)，并在現(xiàn)場完成掛網(wǎng)試驗(yàn)，包括功能試驗(yàn)（輕載試驗(yàn)）、負(fù)載試驗(yàn)、過載試驗(yàn)、電壓紋波因數(shù)測定等，試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求。

圖9 儲能系統(tǒng)試驗(yàn)裝置——超級電容柜和300 kW 雙向直流變換裝置Fig. 9 Test equipments of energy storage system with super capacitor cabinet and 300 kW bidirectional DC converter device

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖10 儲能裝置的電流響應(yīng)波形Fig. 10 Current response waveforms of the energy storage device

圖11 示出系統(tǒng)在充電過程中各部分的電壓狀況。其中直流牽引網(wǎng)側(cè)的兩串聯(lián)系統(tǒng)電壓分別為504 V 和520 V。試運(yùn)行結(jié)果表明，在充放電過程中，串聯(lián)電壓不均衡度為0.985，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36287-2018 中最低不均衡度為0.92 的要求。

圖12 示出系統(tǒng)在額定充放電300 A 過程中各部分的電壓和電流?？梢钥吹剑诔潆娺^程中，兩個支路的電流均穩(wěn)定在300 A，超級電容電壓平穩(wěn)上升；充電過程結(jié)束后，超級電容電壓保持穩(wěn)定；放電過程中，放電電流也一直穩(wěn)定在300 A，超級電容電壓平穩(wěn)下降，并在放電過程結(jié)束后保持穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，儲能裝置充放電控制正常，電壓電流紋波較小，能夠有效地實(shí)現(xiàn)列車制動能量的吸收及釋放。

圖11 超級電容儲能裝置電容側(cè)充放電電壓波形Fig. 11 Charge and discharge voltage waveforms on the capacitor side of the super capacitor energy storage device

圖12 超級電容儲能裝置電容側(cè)充放電電壓、電流波形（額定試驗(yàn)電流300 A）Fig. 12 Charge and discharge waveforms of voltage and current on the capacitor side of the super capacitor energy storage device

4.2 現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果

該套樣機(jī)已在廣州地鐵6 號線暹崗站正常運(yùn)營一年多，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)電能雙向流動功能，并根據(jù)實(shí)際線路的情況形成了較為完善的邏輯控制流程。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，該裝置平均每天吸收電能約為25.03 kW·h，釋放電能約為24.23 kW·h。除去每天停機(jī)后超級電容器漏電流損耗外，裝置充電與放電能量基本保持平衡。

5 結(jié)語

超級電容儲能裝置將是未來城市軌道交通供電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢之一。本文提出一種超級電容儲能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法，其系統(tǒng)拓?fù)洳捎酶哳l變換器模塊，在體積、重量、效率和電流動態(tài)響應(yīng)等方面使雙向直流變換裝置得到了提升。依此方案設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了一套DC 1500 V/300 kW 的超級電容儲能系統(tǒng)樣機(jī)，并通過了型式試驗(yàn)及現(xiàn)場掛網(wǎng)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用模塊化串并聯(lián)的超級電容儲能系統(tǒng)，在車輛制動時，雙向變流裝置導(dǎo)通，向超級電容器組充電，再生制動能量儲存在儲能裝置中；當(dāng)車輛啟動或加速時，雙向變流裝置導(dǎo)通，超級電容器組放電，將能量從儲能裝置回送牽引網(wǎng)，以穩(wěn)定網(wǎng)壓，實(shí)現(xiàn)列車制動能量的儲能吸收和再利用。該樣機(jī)的成功掛網(wǎng)運(yùn)行，驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高、節(jié)能情況良好，且不影響原有供電系統(tǒng)正常工作，具備批量應(yīng)用條件。