摘 要：针对地铁牵引网电压波动剧烈及机车再生制动能量利用率不高的问题，在地铁牵引供电系统中装设超级电容储能元件，提出一种地铁储能型再生能量回收装置。该装置不仅可实现机车再生制动能量的回收利用，还可通过装置与供电系统间协调控制，达到双向稳压、削峰填谷的目的。首先分析系统主电路结构及工作原理;然后构建系统上层能量管理，下层变换器控制的协调控制策略;最后搭建系统仿真模型，模拟分析多种运行工况，验证该装置及控制策略的正确性和有效性。
关键词：地铁;再生能量;储能装置;控制策略;仿真
0 引言
城市地铁站间距离短，列车启动、制动频繁，考虑线路坡度、曲线、车型、站间距、发车间隔等因素，机车制动时再生能量可达到牵引能量的40%以上，同时引起牵引网电压抬升[1-2]。目前，这部分能量除少量被相邻机车吸收利用外，剩余大部分一方面可通过制动电阻以热能耗散掉，该方式不仅浪费再生能量，还增加隧道内通风散热设备等成本;另一方面可通过逆变回馈装置反馈回地铁内部35kV 交流电 网 以 实 现 能 量 回 收 利 用，但 地 铁 负 荷 冲 击性、波动性强，会对35kV 交流电网造成一定程度冲击，因此各地电力公司对此类设备的接受程度有待观察[3-5]。
针对地铁牵引、制动负荷的大功率、冲击性和波动频繁等特点，结合超级电容功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、能量转换率高等优势[6-7]，两者具有良好的匹配性，因此将超级电容储能用于地铁再生能量回收利用具有得天独厚的优势。基于上述分析，本文提出一种地铁储能型再生能量回收装置 (EnergyStorageTypeEnergyRe-coveryDevice，ES-ERD)，用于实现机车再生制动能量的回收利用及牵引网电压波动的抑制。首先分析了系统主电路结构和工作原理，然后构建了系统上层能量管理、下层变换器控制的分层协调控制策略，最后搭建了仿真模型来验证装置及控制策略的正确性。
1 主电路结构及工作原理
系统主电路结构如图1所示。在地铁直流牵引供电系统的基础上，ES-ERD并联于系统直流母线环节，该装置由双向 DC/DC变换器和储能元件串并联组成。
当机车处于再生制动状态，机车产生的再生制动能量不能完全被相邻牵引机车吸收时，ES-ERD 工作存储剩余的再生制动能量;当机车处于牵引状态时，ES-ERD 释放电能为机车供电。通过这 “一充一放”操作，实现再生制动能量的回收与利用。此外，ES-ERD 作为一个功率调节单元，可削弱冲击性负荷对牵引网网压的影响。综上，直流牵引供电系统中加入储能装置，可扩展直流牵引供电系统的能 量 分 配 方 式， 提 升 系 统 功 率 调 节 的 灵 活 性 和效率。
双向 DC/DC 变换器作为地铁 ES-ERD 的核心 装 置，其拓扑的选择至关重要。考虑到单套交直交变换器的耐压水平和容量有限，在工程实际中通常需要根据实际情况，采用多重化、级联、多电平的拓扑结构来适应高电压、大功率的设计需求[8-9]。本文采用基于半桥高压侧级联和多相并联的组合拓扑，其拓扑结构如图2所示。
该双向 DC/DC变换器由两套三相并联 Buck/Boost变换器级联构成，高压侧两套装置采用级联方式，可降低开关器件的电压应力，以适应高电压应用需求，同时配置辅助耗能单元，防止造成过充事故;低压侧采用三 相 并 联Buck/Boost方式，可降低开关器件的电流应力和输出电流纹波。该拓扑可将一套三相并联 Buck/Boost变换器作为一个储能单元，便于模块化设计。
2 系统能量管理模式
本节以牵引供电系统直流母线电压和储能元件荷电状态 (StateofCharge，SOC)限 值 为 约 束，将 ES-ERD 的工作模式进行划分，控制其运行于不同状态，以实现机车再生制动能量回收利用和系统功率优化配置。
假设系统直流侧母线电压为Udc，ES-ERD 的充电电压和放电电压分别为Udc-max、Udc-min，储能元件的最大充电和最小放电荷电状态值分别为SOCmax、SOCmin。
3ES-ERD协调控制策略
为了完成上述各工作模式间的有效转换，实现地铁供电系统、机车和 ES-ERD间功率的有效转移，提出一种上层能量管理、下层变换器控制的协调控制策略，通过判断系统运行状态，计算分析发出控制指令，控制双向 DC/DC变换器的运行状态，进而实现 ES-ERD 工作模式的有效切换。
3.1 上层能量管理模块
上层能量管理包含负荷检测和工作模式判断两部分。负荷检测主要采集地铁直流母线电压Udc和储能元件SOC值，然后根据各工作模式的选择条件，进行 ES-ERD 的工作模式判别，最后计算出对应工作模式下 ES-ERD 端口的补偿功率，具体流程如图3所示。
3.2 下层变换器控制
ES-ERD的双向 DC/DC变换器控制采用双环控制[10]，如图4所示。双环控制由功率外环和电流内环组成，基于上层能量管理模块判别系统工作模式，依据对应模式下的功率分配关系，计算出变换器端口的补偿功率 PES_ref，经功率外环与地铁直流电压Udc相比，产生充放电电流参考值IES_ref;电流内环将IES_ref与变换器端口实际电流IES比较，差值经PI环节进入PWM 调制产生控制脉冲信号，从而控制变换器开关元件的开断，完成系统功率转移，实现各工作模式的预期目标。
4 仿真分析
为了验证 ES-ERD工作模式和控制策略的正确性，基于 MATLAB/Simulink仿真平台，搭建了含有 ES-ERD 的地铁直流供电系统仿真模型。为了反映机车运行负荷的非线性和波动性，对表1中的三种工作模式进行连续仿真。工况一 (0～1s)，机车运行于牵引状态，其牵引电流为300A，全部由地铁供电系统提供;工况二 (1～2s)，机车运行 于 制 动 状 态，其 制 动 电 流 为 200 A，全 部 由 ES-ERD吸收;工况三 (2～3s)，机车运行于牵引状态，其牵引电流为600A，地铁供电系统和 ES-ERD 均提供300A。对应仿真波形如图5～7所示，当地铁牵引负荷发生变化时，地铁直流侧电压会出现陡增陡降现象，ES-ERD 投入工作，通过充放电操作，可很好地抑制网压波动和回收利用机车再生制动能量。
5 结语
本文提出一种地铁储能型再生能量回收装置，并从能量管理角度出发，划分了装置工作模式，以实现机车再生能量的回收利用及系统功率的优化配置;同时提出一种上层能量管理、下层变换器控制的协调控制策略，实现了不同工作模式间的有效切换;最后仿真验证了该装置及其控制策略的正确性和有效性。——论文作者：刘若飞
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