再生制动能量电容储能装置组网及协同控制系统

桑佳楠 丁明进 刘春松

(国电南京自动化股份有限公司，210043，南京∥第一作者，工程师)

城市轨道交通列车在运行过程中由于本身质量较大、行驶速度较快，频繁地制动会产生大量的再生制动能量。这部分再生制动能量如不被吸收利用，将引发直流接触网电压急速抬高，威胁城市轨道交通运行安全[1]。再生制动能量电容储能装置(以下简称“电容储能装置”)通过变流器以斩波的方式将直流电压升高或者降低至可控范围，存储在超级电容中，以实现在列车制动时吸收多余的再生制动能量，从而避免直流接触网电压升高[2]；在列车起动时释放再生制动能量可为列车供电。在城市轨道交通实际运行线路中，由于再生制动能量受车辆运行速度、载客量及排车密度等参数影响，不同的牵引所能吸收的再生制动能量并不相同，但在实际工程设计中大多配置相同容量的电容储能装置，因此出现了不同牵引所的装置功率输出不均衡、不协调的情况，即有的装置容量不足以吸收再生制动能量，有的装置仍有剩余容量，对于整条线路的再生制动能量吸收率不高[3]。另一方面，如果某站再生制动能量吸收装置故障或检修，该站的牵引网压将难以被稳定住，会威胁列车行驶安全。

为解决上述问题，可将整条线路的电容储能装置进行组网，当某牵引所电容储能装置因故障、检修而退出运行，或者再生制动能量过大而吸收功率不足时，相邻站装置可以进行功率支援，能最大限度稳定直流网压，以确保列车运行安全。

1 电容储能装置组网及协同控制方案

1.1 电容储能装置运行原理

电容储能装置的直流侧直接并联接入供电系统的直流牵引网，其电气主接线如图1所示。

图1 电容储能装置电气主接线图Fig.1 Main wiring diagram of capacitor energy storage device

电容储能装置通过IGBT模组以斩波的方式将直流电压升高或者降低至可控范围内，进而存储在超级电容组中，以实现在列车制动时对多余再生制动能量的吸收，并在列车牵引时供电稳定直流网压。

1.2 电容储能装置的组网设计

城市轨道交通牵引供电系统，在牵引降压所或降压所中配置电容储能装置，由电容储能装置控制系统、综合保护装置(以下简称“综保装置”)、环网交换机和站间光纤组成环网或者链式网络。多套电容储能器装置组网后工作原理如图2所示。

图2 电容储能器装置组网后工作原理图

1.3 协调系统的控制策略

电容储能装置组网后的协同控制逻辑如图3所示。协同控制包含以下步骤。

步骤1：判断第K个牵引所内电容储能装置是否发出协同控制请求，所述的发出协同控制指令具有两个并行触发条件：①第K个牵引所内电容储能装置的电容电压U达到最大值Umax，且直流牵引网压UDC继续上升；②第K个牵引所内电容储能装置因故障、检修而退出运行。

任一触发条件满足后，第K个牵引所内电容储能装置的控制系统发出信号，请求相邻的第K+1和K-1牵引所的设备进行功率支援。

步骤2：第K+1和K-1牵引所的设备判断当前电容储能状态。当检测到电容电压U≤U0，则进行步骤3；若电容电压U>U0，则进入步骤四，请求相邻的第K+2和第K-2牵引所设备进行协同控制。其中，U0为低于电容电压吸收上限值Umax的电压比较值。

图3 协同控制策略Fig.3 Synergetic control strategy

步骤3：相关设备的控制系统控制充电启动阈值Uin降低20 V(重复过程最多降低2～3次)，延迟T进入步骤5。其中，Uin为电容储能装置对于直流接触网电压抬高的启动阈值。

步骤4：判断第K+2和第K-2牵引所设备的电容储能状态，若电容电压U≤U0，则进入步骤3；若电容电压U>U0，则进入步骤2。

协同控制请求最多发送到第K+2和第K-2的牵引所设备，因为牵引接触网及回流轨本身的阻抗特性，距离越远电压损耗越高，相邻站电容储能装置对于再生制动能量的吸收效果也就越差。

步骤5：判断第K个牵引所内电容储能装置发出的协同控制指令是否消失，若消失，恢复各设备被降低了的充电启动阈值，退出本次协同控制；若没有消失，进入步骤2重新判断。

上述协调配合方式为典型方案，可根据实际测试情况和数据进行进一步优化设备启动阈值、延时时间、电容电压上限值与下限值等。

2 组网及协同控制系统的应用

2.1 项目设计

电容储能装置安装在某城市轨道交通试验线，列车最高速度为80 km/h，采用6编组单轨制式。牵引供电制式采用DC 750 V接触轨供电，接触轨回流方式。

对电容储能装置应符合以下设计要求：额定功率为1 000 kW间歇工作制(30 s/120 s)，启动阈值Uin为860 V，电容电压上限值Umax为750 V，电压比较值U0为600 V。

2.2 测试及分析

结合现场车辆AW3(超常荷载)工况试验，对线路中电容储能装置的工作状态进行了在线测试和分析。第1个牵引所内电容储能装置发出协同控制请求，其信号通过网络交换机传输到相邻牵引所，控制系统数据解码后得到由低电平变为高电平的信号。协同控制请求信号如图4所示。

图4 协同控制请求信号示意图Fig.4 Synergetic control request signal

综保装置之间采用Goose通讯协议[4]，各控制系统间为对等控制，无需配置中央处理器，因此仅需进行开关量的传输，大大提高了协同控制的响应速度。

2.2.1 第2个牵引站运行工况

第2个牵引所内电容储能装置收到协同控制请求后，根据2.3节所述的步骤二控制策略，判断当前电容储能状态，检测到电容电压U≤600 V时，则进入步骤三，其控制系统控制充电启动阈值Uin降低20 V，为840 V。第2个牵引所内电容储能装置运行波形如图5所示(其中，I为电容储能装置的吸收电流)。

图5 第2站电容储能装置波形示意图

列车在第1个牵引所制动后，由于该站电容储能装置故障不能吸收再生制动能量，因此再生制动能量引起第2站的牵引网压继续升高，当达到启动阈值840 V时，该站的电容储能装置开始吸收制动能量，73 ms后达到最大输出电流1 470 A。牵引网电压被控制在目标值后，设备的输出电流随着制动功率的减小趋近于0。

电容储能装置额定运行后，直流牵引网压的相关参数测量如表1所示。

表1 直流网压的纹波因数Tab.1 Ripple factors of DC network voltage

电容储能装置设置的控制目标值为820 V，设备运行后，直流网压有效值实测819.5 V。经计算纹波因数为1.6%，满足GB/T 36287—2018要求的3%[5]。可见设备可以有效稳定直流牵引网压，抑制网压波动。

2.2.2 第3个牵引站运行工况

为了使第3个牵引所内电容储能装置能够进行功率支援，模拟第2个牵引所内电容储能装置不具备协同吸收的条件，则控制系统进入2.3节所述步骤四，判断第3个牵引所设备的电容储能状态。检测到该站电容电压U≤600 V，控制系统控制充电启动阈值Uin降低40 V，为820 V。第3个牵引所内电容储能装置运行波形如图6所示。

图6 第3站电容储能装置波形示意图

第3牵引站的电容储能装置最大吸收电流为530 A，最大电量为0.59 kWh，电容电压充至700 V后开始放电稳定直流牵引网压。可见，该站电容储能装置成功投入运行，吸收了来自第1牵引站的制动能量，但由于距离较远、线路损耗高，因此吸收的再生制动能量相比第2个牵引站少。

3 结语

安装组网及协同控制系统后，当某站的电容储能装置控制系统发出协同控制请求时，站间联络光纤会将信息传输给相邻站的电容储能装置，装置将依次降低启动阈值，最大限度稳定直流牵引网压，有效提高了全线再生制动能量的吸收效率，以保障行车安全。试验证明系统协调性好、响应速度快，具有显著的推广价值。