胡婧嫻 宋文吉 林仕立 馮自平

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，510640，廣州；2.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京∥第一作者，碩士研究生）

城市軌道交通車輛無論采用旋轉(zhuǎn)電機或直線電機，其制動模式大多采用電氣制動（再生制動／電阻制動）＋空氣制動（盤形制動／輪對踏面制動）互補的形式［1］。再生制動時，牽引電動機處于發(fā)電機工況，再生電能通過VVVF逆變器反饋至直流牽引網(wǎng)。牽引網(wǎng)獲得的再生電能除小部分被車輛電氣設(shè)備利用外，其余被供電網(wǎng)上其他車輛或電氣設(shè)備吸收利用。

軌道交通供電系統(tǒng)整流設(shè)備具有不可逆性，當線路上沒有足夠的負載吸收再生電能時，過剩的再生電能會抬升供電網(wǎng)電壓，當其超過安全電壓后，會引起再生制動失效。對這部分再生電能，國內(nèi)大部分軌道交通系統(tǒng)使用車載設(shè)置的電阻器以熱耗散形式消耗，以保證牽引網(wǎng)安全供電。由于制動電阻體積大，且其熱耗散會引起隧道溫升，采用該方法需要專門的電阻器設(shè)置場所及通風散熱設(shè)備，增加運行費用的同時造成了能量的浪費，降低了能量利用率。根據(jù)經(jīng)驗，列車再生制動產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的30%甚至更多［2］，僅有30%～50%的制動能量能夠得到利用［3］。如何高效回收利用車輛再生電能成為城市軌道交通研究的新焦點。

目前，可用于城市軌道交通的儲能形式主要有鋰離子電池儲能、超級電容儲能和飛輪儲能。其中，鋰離子電池作為近年來發(fā)展較快的儲能元件，其容量等級和功率等級均可以滿足軌道交通再生制動能量吸收釋放的要求。另外，與超級電容、鉛酸電池相比，鋰離子電池具有能量密度高的優(yōu)點，可實現(xiàn)裝置的小型化、輕量化。因此，選擇快速充放電且長壽命的鋰電池可以滿足電氣化軌道交通使用要求［4］。

廣州地鐵4號線線路坡度大、曲線半徑小且運量為中小運量，是國內(nèi)第一條采用直線電機車輛的線路［5］。降低車體質(zhì)量對直線電機牽引的地鐵尤為重要。所以，廣州地鐵4號線采用了地面制動電阻裝置吸收再生能量［6］：使用交流傳動系統(tǒng)和脈寬調(diào)制技術(shù)的牽引VVVF逆變器實現(xiàn)牽引、再生制動控制［7］，線路上設(shè)置地面電阻器消耗再生電能。

本文針對DC1 500 V的地鐵直流供電系統(tǒng)，研究鋰電池儲能系統(tǒng)的穩(wěn)壓運行設(shè)計方案，并以廣州地鐵4號線為例進行仿真，為電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。

1 鋰電池儲能系統(tǒng)

1.1 鋰電池軌道交通儲能系統(tǒng)

城市軌道交通鋰電池儲能系統(tǒng)如圖1所示，主要由雙向DC／DC變換器、控制器、鋰電池組等元件組成。其中，鋰電池單體由設(shè)定的串并聯(lián)方式聯(lián)結(jié)組成鋰電池組；鋰電池組通過雙向DC／DC變換器連接至牽引網(wǎng)兩端；控制器處理由傳感器傳回的牽引電網(wǎng)和鋰電池組的狀態(tài)監(jiān)測信號，通過控制雙向DC／DC變換器IGBT1和IGBT2的導(dǎo)通率，來控制牽引網(wǎng)與鋰電池組之間電能的流動，實現(xiàn)對鋰電池組充放電的自動控制。

圖1 軌道交通儲能系統(tǒng)

儲能裝置可安裝于車輛上，稱為車載式；也可安裝于地面或隧洞專用機房內(nèi)，稱為地面式。本試驗中采用地面式。儲能裝置額定電壓為DC1 400～1 800 V，額定容量為160 Ah，額定功率為240 kW。牽引電網(wǎng)額定電壓為DC1 500 V。

1.2 鋰電池儲能系統(tǒng)控制策略

車輛運行過程中有牽引起動、惰行、制動三種模式，引起牽引網(wǎng)電壓降低、恒定、上升的動態(tài)變化，分別對應(yīng)儲能系統(tǒng)釋放電能、待機、吸收電能三種模式。因此，選取牽引網(wǎng)電壓值U0為控制變量。

車輛加速起動過程中，電動機為牽引工況，通過VVVF逆變器從牽引網(wǎng)獲取電能。當儲能系統(tǒng)監(jiān)測到U0小于控制器設(shè)定的下限電壓值Umin時，雙向DC／DC變換器IGBT1關(guān)斷、IGBT2導(dǎo)通（為鋰電池組向牽引網(wǎng)單向?qū)ǎ?，將鋰電池組電能變換至牽引網(wǎng)所需電壓范圍向牽引網(wǎng)供電，作為輔助電源維持牽引網(wǎng)電壓在下限電壓值之上。車輛惰行過程中，車輛與牽引網(wǎng)無能量交換，牽引網(wǎng)電壓無變動，儲能系統(tǒng)不啟動，處于待機狀態(tài)。再生制動過程中，車輛電動機為發(fā)電機工況，將車輛動能轉(zhuǎn)化為電能，所獲得的再生電能通過VVVF整流后反饋到牽引網(wǎng)上。當儲能系統(tǒng)監(jiān)測到U0大于控制器設(shè)定的上限電壓Umax時，雙向DC／DC變換器IGBT1導(dǎo)通、IGBT2關(guān)斷（為牽引網(wǎng)向鋰電池組單向?qū)ǎ?，將牽引網(wǎng)電能變換為鋰電池組充電所需電壓電流范圍，給鋰電池組充電。即儲能系統(tǒng)吸收再生電能，維持牽引網(wǎng)電壓在上限電壓值之下。

2 仿真系統(tǒng)

為驗證以控制網(wǎng)壓為目標的鋰電池組儲能系統(tǒng)控制算法的有效性，利用MATLAB／SIMLINK搭建了單列車、單變電所仿真平臺，進行仿真驗證。

2.1 車輛與牽引供電網(wǎng)

為簡化分析，采用等效戴維南電路或諾頓電路模擬軌道交通牽引變電站，如圖2所示。

圖2 車輛與牽引網(wǎng)等效模型

（1）牽引電網(wǎng)使用戴維南等效電路模擬牽引變電站輸出，用一個理想電壓源US和內(nèi)阻Req來表示；根據(jù)牽引變電站不控整流的理想外特性曲線來擬合24脈波整流器電路：

根據(jù)廣州地鐵4號線實際情況，取US＝1 669 V，Req＝0.041 6Ω；牽引電網(wǎng)額定電壓（U0）為 DC 1 500 V，波動范圍為DC1 400～1 800 V；設(shè)定牽引網(wǎng)上限電壓Umax＝1 730 V，下限電壓Umin＝1 450 V。

（2）使用可控電流源，通過控制信號模擬車輛制動、起動時與牽引網(wǎng)的電能交換情況；使用電阻R1等效牽引網(wǎng)上其他電氣負載，考慮到實際運行中再生制動能量的30%～50%可以被車輛自身或其他車輛吸收利用，取R1＝2.25Ω。

·加速起動工況：根據(jù)4號線直線電機特性，速度小于35 km／h為恒牽引力模式，速度在35～90 km／h之間為恒功率模式，考慮到4號線車輛單位阻力模型R＝20.286＋0.382 2×v＋0.002 058×v2（N／kN），忽略低速時阻力變化，認為速度在0～35 km／h時牽引功率由0直線上升至960 kW。

·制動工況：車輛以恒制動力制動以－1 m／s2的加速度由90 km／h減速至0km／h，設(shè)反饋至牽引網(wǎng)最大再生制動功率為1 000 000 W，車輛制動輸出功率由最大值向0W呈直線下降趨勢。

2.2 電池組

鋰電池單體額定電壓低，容量較小，不能直接應(yīng)用于1 500 V電壓、較大容量的儲能系統(tǒng)，需通過特定的串并聯(lián)方式組合成電池組。

本文采用額定電壓3.2 V、容量20 Ah的鋰電池單體，通過216串聯(lián)、8并聯(lián)的方式組成額定電壓692 V、容量160 Ah的電池組。其模型如圖3所示。電池組內(nèi)阻r為0.007 87Ω，最大充放電倍率為10C，其充放電特性如圖4、5所示。鋰電池組為恒壓充放電方式，充滿電狀態(tài)為788 V，放電完全狀態(tài)為605 V，可用SOC（剩余電量與額定電量之比）范圍20%～80%。

圖3 鋰電池組模型

圖4 鋰電池組放電特性

2.3 雙向DC／DC變換器

如圖6所示，雙向DC／DC變換器采用半橋直流斬波電路，濾波電感1 mH，IGBT開關(guān)頻率1 000 Hz。

圖5 鋰電池組充電特性

圖6 雙向DC／DC變換器

2.4 儲能系統(tǒng)控制器

如圖7所示，控制器通過使用外電壓內(nèi)電流雙環(huán)控制DC／DC輸出，從而控制儲能裝置的開關(guān)動作。其原理是：

（1）再生制動工況下，牽引網(wǎng)電壓U0與設(shè)定的Umax進行比較，根據(jù)其差值得到邏輯判斷信號，當U0＞Umax時信號為1；加速起動工況下，U0與設(shè)定的Umin進行比較，根據(jù)其差值得到邏輯判斷信號，當U0＜Umin時信號為1。其余時刻信號為0。信號為1可以啟動儲能裝置，信號為0不啟動儲能裝置。

（2）比較DC／DC變換器輸出端電壓Uout與設(shè)定的電池組充電電壓UBattery，得到電壓誤差ΔU，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出給定電流I，I與反饋電流IBattery進行比較，得到電流誤差ΔI，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器，獲得雙向DC／DC變換器中IGBT的PWM（占空比）信號。

圖7 控制器

綜合判斷（1）中邏輯信號、（2）中PWM信號獲得控制信號輸出。

3 仿真結(jié)果

（1）4號線的實際情況仿真。當前4號線無儲能系統(tǒng)，車輛使用地面設(shè)置的電阻器消耗再生電能。圖8為電阻式制動牽引網(wǎng)電壓波動情況。車輛于1 s時開始再生制動，牽引網(wǎng)電壓升高；制動時，電網(wǎng)電壓被穩(wěn)定在1 800 V以下。

圖8 電阻式制動牽引網(wǎng)電壓

（2）再生制動工況。車輛于1 s時開始再生制動，儲能系統(tǒng)開始吸收再生電能，抑制牽引網(wǎng)電壓升高至1 800 V以上，防止再生失效。再生制動起始時刻及制動過程中牽引網(wǎng)電壓如圖9及圖10所示。

圖9 再生制動起始時刻牽引網(wǎng)電壓

圖10 制動過程牽引網(wǎng)電壓

車輛制動起始時刻，U0急升高至1 780 V后逐漸回落，并維持在1 800 V以下，最后穩(wěn)定在1 630～1 760 V范圍內(nèi)。電池組充電情況如圖11及圖12所示，電池組最大充電電流為1 300 A，最大充電倍率小于10C，達到設(shè)計要求。

圖11 制動過程鋰電池組充電電流變化

圖12 制動過程鋰電池組充電SOC變化

（3）加速起動工況。車輛于1 s時開始進入加速起動工況，儲能系統(tǒng)向牽引網(wǎng)釋放電能，抑制牽引網(wǎng)電壓下降至1 400 V以下，防止網(wǎng)壓過低導(dǎo)致電氣設(shè)備故障。加速起動過程中牽引網(wǎng)電壓如圖13所示，電壓下降至1 450 V后趨于平穩(wěn)，在1 415～1 455 V之間波動。電池組釋放電能過程中，最大放電倍率為5C，放電電壓在730～750 V之間（見圖14），達到設(shè)計要求。

圖13 加速起動過程牽引網(wǎng)電壓

圖14 加速起動過程電池組狀態(tài)