城轨超级电容储能的容量配置和控制策略研究.docx

摘要：采用超级电容储能装置实现轨道交通工程存在的再生制动能量吸收功能，同时可以有效解决逆变回馈型节能装置的再生能量倒送IIOkV主变电所向题.本文以实际工程中的列军运行参数为基础，对列乍制动过程进行力学和电学分析，提出了电容储能型节能装置的整体设计方案.储能型节能装W包括双向斩波器和超级电容组，斩波器主电路采用交错并联的双向Buck-Boost电路，超级电容组采用串并联方案：根据储能装置的电压和电流需求，设计了超级电容组的串联配置数量和并联配置数量。建立了列车、整流机组和储能装置模型，并在此基础上设计/储能装置中斩波电路的控制策略,实现储能装置在列车制动过程中能量的储存功能和牵引过程中能量的释放功能:最后以PWM整流器的功率源模式作为列车模拟源，模拟列车的牵引过程和制动过程，通过试验验证了斩波电路的控制策略和超级电容组的充放电特性，结果表明该储能方案的斩波电路控制策略和电容组容员配理方案满足要求.关键词：超级电容：容量配置；Buck-Boost：控制策略随着国家对节能的日益重视，轨道交通工程中涌现出了多种类型的再生节能设备，其中以逆变馈型和储能型应用最为广泛。储能型节能设备仪与直流牵引网有接口，不存在再生能量倒送I1.okV主变电所的情况，因此在发车密度较低、列车之间互相吸收比例较低的郊区或市域线路得到越来越多的研究和应用，超级电容的功率虚度大、充放电速度快，完美匹配轨道交通列车制动瞬时功率大、上升速度快的应用需求，在轨道交通行业内获得了广泛的应用。I整体方案储能型节能装置包括双向斩波器和超级电容组，通过直潦开关柜接入到变电所的150OV直流母线，如图1所示。当列车制动时，再生能量返送到牵引网上,变电所直流母线电压高于空载电压，双向斩波器进入BUCk工作模式，将能量存到超级电容组中：当车辆牵引取流时，变电所直流母级电压低丁空载电压，双向斩波器进入BOOSI工作模式，将超级电容组中存储的能战样放出来。C35kV<S=超级电容组双向斩波器IX1.500V-图1储能型节能方案1.1 容量配置1.1.1 列车制动计算列车制动是列车在电制动力和阻力共同作用下车速降为零的过程，根据经典力学定律Fb+/=ma(1)式中，Fb为电制动力；f为平均阻力：m为列车计算重量，回转质量系数按6%计卯：a为列车制动减速度。列车制动产生的反馈功率可表示为p=(ma-f)v-p0(2)式中，y为制动速度：为齿轮传动系统的效率，取089;Po为辅助用电功率，取289kW(功率因数为0.85).列车制动时,一部分功能用来克服阻力做功、齿轮传动系统损耗和辅助用电设备消耗,剩余的能M全部转换为电能并反馈到直流牵引网上，反馈的总能量可表示为E-(-OTV02-fi)-p0t(3)式中，为制动初速度；S为制动距离：t为制动时间。济南市城轨道交通R1.号线采用DC1.500V供电的B里列车，列车参数：2动2拖4辆编组，AW2车重2(X)t.最高运行速度1OOknVh,辅助用电功率170kVA×2,平均制动减速度ms2,平均阻力M)kN.,根据上述计算方法，列车单次制动的峰值功率为4705kW.单次制动能量为7kWh。由于市域列车的发车密度较低，相邻车互相吸收的比例低于20%,因此,反馈到变电所的峰值功率约为3764kW,制动能量约为13.6kWh.1.2 储能装置设计根据列车制动计克的数据，储能装置的功率可确定为4(X)0kV,超级电容组的储铺不低于MkWh,斩波器的主电路采用交错并联的Buck-Boost电路拓扑，超级电容充电时由上管的IGBT和卜管的反并联二极管构成降压斩波电路，超级电容放电时由下管的IGBT和上管的反并联二极管构成升压斩波电路，多支路交错并联可以有效降低总输出电流的纹波系数。DC+-4t,4Mt5411T21416184444图2斩波器主电路拓扑牵引网工作电压范围为I5(X)-18O()V,因此超级电容组的充放电电压可选择为600-I200V,采用标准的48V/I65F超级电容模组，超级电容模组的串联数为N=1200/48=25,为了确保电容组工作安全、留取一定的设计余量，可选择26只超级电容模组串联。超级电容吸收的总能量为1.4kWh,因此电容容值为C=2E忆UM-(2x1.4x3.6T(r)/(1.200600>93.3F,电容的并联数为M=(93.3×26)I65=14.7,可选择15只电容并联。1.3 控制策略储能装置与整流机组、列车共同组成了电源-负荷系统，储能装置应选择合适的控制策略，确保：列车制动时，储能装置为超级电容组充电、同时整流机组退出运行：列车牵引时，储能装置将超级电容组中的电能棒放出来、与整流机组共同为列车提供牵引能员.避免发生储能装置从整流机组抽取能量，或超级电容组的能设未及时择放而导致列车再次制动时无法吸收再生能S1.建立列车、整流机组和储能装竹的电气模型，如图3所示。整流机组的模型为电压源与电阻的串联，考虑到推流解仅具备单向变流能力，模型中需要串入二极管以防止整流机组电流反向，UdO为整流机组的空战电压，Rdo为等效内阻。列乍的模型为功率源，功率的大小由列车的运行状态决定，根据牵引计算过程得到.储能装置的模型为电压源，UC为稔压值，当超级电容充电时稳压值需高于空载电压且低于系统允许最高电压，当超级电容放电时程压值需低于空载电压且高于系统允许最低电压。R1.ine为牵引网的线路电阻.由单位长度阻抗和线路长度决定。“-IT整流机组储能装置图3储能系统的模型储能装置的控制特性需考虑与整流机组和列车的配合,如图4所示，CD段为瓢流机组外特性曲线，ABC段为储能装汽充电特性曲线、DE段为放电特性曲线。图4储能系统的控制特性曲线UdO为整流机组的空载电压，通常为1650V：Uinv为储能装置吸收能星时的稳压值，为了优先保证车辆之间的互相吸收，可设置为17()OI8OOV:UreC为储能装置释放能量时的稳压值，可设理为I6OO1500V,2试验验证由于试验条件的限制，利用容应为5(X)kW的PWM整流器作为列乍模拟源,测试储能装置的充放电特性,试验波形如图5所示.PWM整流泯设定为功率源特性，以发出500kW功率模拟列车制动工况，储能装设检测到直流电压升而到1700V时进入降压斩波模式，超级电容的电压从初始电压600V充电至1200V：再以吸收50OkW功率模拟列车牵引工况,储能装置检测到直流电压降低到150OV时进入升压斩波模式，超级电容的电压从初始12(X)V放电至600V03结论本文研究了应用于城后轨道交通供电系统的超级电容储能型节能设备的容后配理问题，确定了储能装置的功率和电量：设计J'交错并联的双向斩波电路和超级电容组的串并联方案；在对列车、整流机组和储能装置,建模的基础上设计了储能装置的控制策略：最后通过模拟列车的牵引/制动试验研制了超级电容的充放电特性，试验结果表明了方案的可行性。本文的研究对超级电容储能型节能设备在轨道交通工程中的应用具有一定的工程指导价值.附参考资料：城轨交通电池储能系统能量管理和容量限置.优化的新方法电池储能系统用于城凯交通中可有效回收列车剩余再生制动能量，抑制直流网电压波动。基下城轨交通负教特性和电池高能量密度特性，提出基于能敌转移的放电阀值动态调整策略，利用电池符城轨运行低峰期和平峰期回收的制动能增部分转移到高峰期，在节能的同时可有效减少牵引变电所的峰值功率，降低牵引变电所的建设容量以及成本。结合所提控制策略以及仿直模型，利用智能算法，以经济效率和峰值功率减小率作为目标函数对能量管理策略控制参数和容量配巴结果进行优化，提存储能装置性能，同时对不同权重系数的优化结果进行分析，为不同目标需求卜权重系数设置提供理论依据。地铁具有运量大、速度快、安全准时等优点，对城市轨道交通发展起到越来越不要的作用。符电池储能系统安装于地铁供电系统，可以有效回收列车再生制动能量和抑制直流网电压波动。目前，电池储能系统在城轨交通Jt已得到实际应用，如日本东武铁道、古町线、名古屋铁路、湖西线北陆本线、鹿儿岛谷山线、神户市西神-山手线、青桁线、东武野田线；帏国地铁5号线；施大利米兰地铁3号线、罗马火车站-机场线；美国费城等。近年来,国内外学者针对城轨交通电池储能系统在能量管理和容量配置等方面展开r广泛深入的研究.文献5-7J研究了地面式电池储能系统的能量管理策略。其中文献5采用固定充放电阈值策略，为了防止多次充放电不平衡导致电池过充或过放，在储能系统待机期间进行小电流充/放电,调整电池荷电状态（StateoOarge1.SOOf将其维持在某一位附近，但这种不必要的充放电公加速电池寿命衰减：考虑电池的寿命，文献提出动态阈值策略，根据电池的SOC调整储能系统的放电阈值（V-SOC控制），将电池SoC控制在某范闱：文献中，通过分析电池的充电特性，提出了一种最大功率点跟踪的控制策略（I-SOC控制），根据电池SOC调整电池的最大放电电流，使电池SOC维持在最大功率点附近，在相同的容量配置卜.，可增大储能系统的节能效果。对于如何确定电池储能系统在城轨交通供电系统安装的位置及其容量，即容是配置优化问题，也有学者做相应研究，文献8-9根据离线测得的城轨交通变电所的H负荷曲线，在实现削峰填谷的前提下，以经济效率为优化目标函数，对电池储能系统配置进行优化。然而上述研究依然存在些不足。一是未能充分考虑电池储能系统本身的特点，与超级电容等功率型元件不同，锂电池储能系统除了可以回收剩余再生制动能量之外，其¾能量密度使其在长供电区间或发车密度较高时还可以为列车提供牵引能量，改善供电网电压跌落明显的问题，降低牵引变电所的设计容量。二是储能系统的能属管理策略和容量配置优化方案是相互影响的，在不Im的能量管理策略下，电池储能系统最优的容量配巴方案是不同的，同时优化电池储能系统的能量管理策略和容量配置方案，正是木文的研究重点。本文首先建立了包含列车和电池储能系统的城轨交通供电系统仿真台合城轨交通负载特性和电池高能量密度特性，提出基F能量转移的改进能量管理策略。最后采用智能优化算法以及结合搭建的地铁供电系统仿或平台，同时优化电池储能系统的能量管理策略控制参数和容量配置方案。V1.S1.vSna¾,m,.vms线路条件一（常温TPS图I直流供电系统仿真平台结论本文首先建立了包含列车和电池储能系统的城轨交通供电系统仿真平台，综合考虑城轨交通负载特性和电池的海能量密度特性，提出了基于能地转移的放电阈值动态调整策略，减小了变电站峰值功率，降低建设成本。综合电池实际运行特性,考虑放电深度对电池使用寿命的影响，建立了电池寿命预测模型，用于评估储能系统经济效率.最后以经济效率和峰值功率减小率为H标函数，提出了基于遗传算法的可同时优化电池储能系统能量管理策略参数和容量配置方案的方法，最后利用实际线路数据进行了仿真分析，为改善城轨列车制动能量回收和提高供电能力提供了支持。