城市轨道交通供电系统仿真研究范文

《电气应用杂志》2014年第十二期

一、混合储能系统建模与分析

1.混合储能系统拓扑结构直流牵引供电系统拓扑结构如图1所示。储能装置安装在列车上的称为车载式储能系统;安装在变电所内或者直接与牵引网接触轨、走行轨相连接的称为地面式储能系统。地面式储能具有节省投资，减轻列车重量，减少维修工作量，不占用列车空间的优势。综合考虑，本文讨论的均为地面式混合储能系统。超级电容器组和蓄电池组组成的混合储能拓扑结构有很多种。通过双向DC/DC变换器串联接入;通过双向DC/DC变换器并联接入;多端口输入隔离型DC/DC变换器接入等［9］。综合考虑直流牵引供电系统电压等级要求，混合储能系统能量管理要求的灵活可控性，DC/DC变换器功率器件的设计要求以及成本，选择超级电容器组和蓄电池组分别连接双向DC/DC变换器并联接入供电系统网络，如图2所示。2.混合储能装置建模由于双向DC/DC具有稳定电压等级以及控制能量流向的作用，本文采用效率模型进行混合储能装置的建模。混合储能系统拓扑结构如图2所示，采用效率模型建立能量管理系统，效率模型中包含超级电容充放电效率、蓄电池充放电效率、DC/DC变换器效率、逆变器的效率、齿轮比效率及电机效率。由于总效率为各效率之积，为了简化模型，建立储能装置与供电系统网络的能量关系。采用转换效率η表示效率，其值取为0.9。P(t)为某一时刻计算出的混合储能装置外端口功率，其正负值分别表示充电和放电。Pin(t)、Pout(t)表示某一时刻储能装置内部的充放电功率。混合储能装置有两种工作状态:充电和放电。根据网压变换情形和能量管理系统，充电情形中，储能装置吸收再生能量，稳定网压，整流机组不工作;放电情形中，储能装置释放再生能量并且与整流机组共同工作。3.含有地面混合储能装置的直流供电系统模型直流牵引供电系统包括整流机组和牵引网。整流机组采用多段外特性建模方式［10］。列车采用理想电流源模型进行处理［11，12］，接触网和钢轨电阻采用统一的单位电气参数进行计算。直流牵引供电系统模型可根据地网模型的不同分为三层或者四层表示［13］。三层模型由接触网、钢轨以及地组成;四层模型由接触网、钢轨、埋地金属与地组成。由于本文计算更加关注储能系统对供电系统网压的影响，所以采用简单地网模型即三层模型。在三层网络模型中，一般使用π型单元电路纵向连接模拟，每个单元电路的长度一般取为100～200m。采用节点电压法进行分析求解线性系统模型，步骤为:建立节点导纳矩阵，确定节点注入电流，建立和求解线性方程组［12］。可得以下形式的线性方程组:式中，［V］为节点电压，是方程组的待求项;［I］为注入节点电流列向量;［Y］为节点导纳矩阵。由于系数矩阵正定、稀疏、对称的特点，常规求解方法收敛速度较慢，而且在计算机计算中稀疏矩阵的无效值占据大量内存，影响计算速度。为了解决这一问题，本文采用LU分解法求解矩阵方程。含有地面式混合储能系统的直流供电系统网络模型如图3所示。由于理想电压源的存在，出现了独立电压源，采用修改节点法，对每个独立电压源引入一个电流，从而能够像传统的节点法那样直接对电路列出电路方程，电压源引入的电流方向从正极流向负极［14］。可得到以下形式的线性方程组式中，H为理想电压源与节点的关联矩阵，其值为－1、0、1，其中，－1表示引入电流源方向与节点的关系对应为注入，1表示引入电流源与节点的关系对应为流出，0表示没有关联;Iideal为引入电流源;Uideal为理想电压源;方程组中Iideal、U为求解项，其余项已知。通过以上步骤就可以得到地面式混合储能系统吸收或者释放的能量，通过能量管理系统进行控制，得到内部超级电容和蓄电池的能量输出情况。

二、混合储能系统能量管理策略

混合储能系统是储能技术的重要发展方向，正确分析整流机组运行状态，能量存储系统的功率以及运行约束条件，建立超级电容－蓄电池能量管理系统是一项重要工作。混合储能系统在供电系统网络中受到两个条件的约束，分别是外部条件和内部条件。1.外部条件外部条件包括地面式混合储能装置和网压条件。变电所是否安装混合储能装置，如果没有安装，则采用其他方式处理再生能量，例如地面式再生制动电阻吸收装置。网压条件是储能装置是否动作的初步判断条件，由于储能装置有充电和放电两种状态，所以分别设置充电电压阈值和放电电压阈值。电压阈值的设置对储能系统的影响较大，如果充电电压阈值过高，则难以吸收到足够的再生制动能量，对储能装置的容量造成浪费;设置过低则吸收过多的能量，对于系统相当于负载，影响网压，与储能系统节能减排的初衷本末倒置。如果放电电压阈值过高，则储能装置能量很容易释放到极限，影响装置寿命，不满足浅充浅放的原则;如果放电电压阈值过低，则储能装置对稳定网压的效果会减小。2.内部条件由于超级电容和蓄电池的互补特性，在能量管理上，超级电容响应优先级高于蓄电池。在容量设置上，考虑经济性和蓄电池能量密度高的特点，蓄电池的容量大于超级电容容量。为了装置安全性，引入峰值功率Ppeak，任意时刻混合储能装置的响应应该小于峰值功率。为了延长二者寿命，满足浅充浅放的原则，应该满足SOC限制条件。能量管理策略中，超级电容优先响应，容量所占混合储能系统比例较小，较快达到SOC上下限值;蓄电池滞后响应，容量所占混合储能系统比例较大，需要较长时间达到SOC上下限值，承担较多功率。由上述条件分析，可以分别得到混合储能装置充电、放电的流程图。混合储能装置充电流程如图4所示。混合储能装置放电流程如图5所示。

三、全网络供电系统动态仿真

通过以上分析，如果得到不同时刻列车在线路上的取流，扫描不同时刻，对不同时刻的供电系统网络进行建模求解，就可以模拟动态的供电系统。同样，加入混合储能系统模型和能量管理系统后，可以模拟得到全网络各混合储能装置的能量情形，更加贴近实际地铁工程运行。西南交通大学电气学院已开发城市轨道直流牵引供电仿真平台DCTPS［15］，该平台在中铁二院、中铁咨询等国内7家设计院推广使用，用于城市轨道牵引供电系统仿真设计。本文在DCTPS中，加入地面混合储能元件模型，模拟混合储能系统在城市轨道供电仿真中的能量管理策略。供电系统网络求解流程图如图6所示，运行界面如图7所示，系统参数、整流机组参数、混合储能系统参数分别如表1～表3所示。全网络动态仿真时，再生制动能量跟发车密度、单车区间制动能量、变电所间距等因素有关，选取变电所EW7作为结果输出。无地面混合储能装置时，不考虑再生制动能量，牵引变电所EW7的进线电流、牵引网压、输出功率如图8所示。有地面储能装置时，EW7牵引变电所的进线电流、牵引网压、输出功率如图9所示，地面式混合储能装置如图10所示，仿真结果统计如表4和表5所示。对比图8和图9可知，加入地面式混合储能装置后，在储能装置放电阶段，一定程度上稳定了网压值，减小了变电所的输出功率，从表4中可以看出混合储能装置的节能效果。从图10中SOC曲线可以发现，超级电容(实线部分)曲线斜率大，表明充放电速度快，响应快。蓄电池(虚线部分)斜率小，表明速度较慢，而且响应滞后于超级电容，且SOC值在(0.5～0.8)范围，满足浅充浅放的原则。从图10和表5中可以看出，由于蓄电池容量更大，承担更多的能量输出，满足能量管理系统策略，效果良好。

四、结束语

研究了超级电容－蓄电池混合储能系统在直流供电系统中的数学建模和能量管理策略。首先分析了传统直流供电系统网络的模型，将混合储能系统模型加入传统模型中，建立了线性方程组;然后分析了混合储能系统的能量管理策略，满足超级电容优先，蓄电池浅充浅放的基本原则;最后，在城市轨道直流牵引供电仿真平台DCTPS上，实现了地面式混合储能系统在直流牵引供电系统中的仿真。结果表明，地面式混合储能系统有节能减排作用，能够很好地利用再生制动能量，稳定牵引网压，减小变电所输出，文中提出的能量管理策略是有效的。

作者：郑侃刘炜李群湛单位：西南交通大学电气工程学院