城市軌道交通能量運行控制系統

　　摘　要：城市軌道交通和干線鐵路的高速增長帶來的能耗、碳排放等問題愈發引起社會的關注。為提升城市軌道交通系統能量利用效率，文章提出一種用于城市軌道交通牽引供電網的能量運行控制系統。該系統采用 4G 通信獲取每輛列車的瞬時功率和位置、牽引供電系統的參數以及變電站和雙向變流器的實時狀態信息，依此迭代計算網絡空間矩陣，完成牽引供電網絡的數字重構。基于重構的牽引供電網絡，能量運行控制系統根據目標函數以及系統物理約束，采用智能算法尋優牽引變電站直流輸出電壓指令，并下發給全線路雙向變流器，實現整條地鐵線路的潮流分配，從而使地鐵牽引電力系統具有更好的供電質量和更高的效率。通過對采用該能量運行控制系統的某城市地鐵 4 號線進行現場測試，結果顯示系統總體效率提升了 0.767%，驗證了所提城市軌道交通能量運行控制系統的有效性。

　　本文源自李紅波; 張超; 黃子昊; 王雄; 羅文廣; 張志學， 控制與信息技術 發表時間：2021-06-07

　　關鍵詞：軌道交通牽引供電;能量運行控制;系統節能;負荷預測;運行圖優化;數字重構

　　0 引言

　　2015 年 12 月獲批的《巴黎協定》其中心目標是將溫度上升限制在比工業化前水平高 2 ℃以下，并努力將溫度上升限制在比工業化前水平高 1.5 ℃ [1] 。公路運輸在溫室氣體排放中占有主要地位 [2]。要減少 80%的總體碳足跡，就必須減少 95%的公路運輸 [3] ;然而，經濟增長需要加強運輸能力，這將導致溫室氣體排放量上升。針對減少溫室氣體排放和增加運輸這兩種要求相互矛盾的難題，城市電氣化軌道交通由于具備良好的零碳排放和較強的運輸能力，其重要性日益凸顯 [4] 。

　　現有城市軌道交通電網通常采用多脈波(12 或 24 脈波)整流器，其將 35 kV 或 10 kV 的中壓交流電轉換為 750 V 或 1 500 V 的直流電給列車供電 [5] 。由于二極管整流器具有單向工作特性，再生制動能量無法被回收，導致直流母線電壓升高，直接危害列車以及車載電氣設備安全運行。

　　在過去的幾十年中，軌道交通系統通常通過配置額外的制動電阻器來耗散多余的再生制動能量，以避免直流母線電壓過沖。城市電氣軌道交通是兆瓦級系統，再生制動能量巨大，所以制動電阻產生的熱量會導致地鐵隧道和車站的溫度升高 [6]。制動電阻器解決方案不僅浪費再生制動能量，同時增加了環境控制系統的能耗。

　　為了解決這個問題，業界開展了再生制動能量回收技術的研究。再生制動能量回收技術可以分為兩種：一種是通過能量回饋逆變器將再生制動能量回饋至 35 kV 電網，以用于其他負載，例如電站中的輔助設備[7];另一種是通過儲能系統回收再生制動能量[8-9] 。

　　再生制動能量回饋逆變器具有兩種運行狀態：當線路制動能量小于逆變器的容量時，能量回饋逆變器將所有制動能量有效地引入直流母線電壓;當制動能量大于逆變器的容量時，能量回饋逆變器將以額定功率作為恒定電源運行，盡可能多地回收制動能量并抑制直流母線中的過電壓。但如果能量回饋逆變器的電壓指令設置不正確，由于相鄰的列車無法充分吸收該能量，則會導致再生能量的利用效率降低。此外，在某些工況下，回收的能量被回饋至 110 kV 公共電網，不能被軌道交通系統負荷利用 [7]。這種復雜的潮流增加了電網失穩的風險，且較長的傳輸路徑會增加功率損耗并降低效率。而能量存儲方案因為所有制動能量都被就近存儲，避免了由復雜的潮流引起的功率損耗，因此具有比能量回饋逆變器更高的能量利用率;但再生制動功率和列車起動、加速等運行狀態的功率曲線會呈現高峰值的脈沖形狀。為了使儲能系統具有較快的響應速度，應采用超級電容器或飛輪等功率型儲能元件;但這些低能量密度的存儲元件將增加系統體積和成本 [10]。另外，城軌交通供電系統目前采用電力數據采集和監控系統(power supervisory control and data acquisition，PSCADA)，只對電網部分狀態進行數據監測及界面數據、圖形顯示、報表等簡單數據處理 [11]，不具備利用數據在線對整個供電網絡進行潮流優化調度的功能。

　　針對上述問題，本文提出一種新型的城市軌道交通智能牽引供電能量運行控制系統(簡稱“運控系統”)。與傳統軌道交通牽引供電系統不同，本文牽引供電系統中的雙向脈沖整流器和能量回饋逆變器被雙向變換器代替 [12]。另外，通過配置車載和地面 4G 無線通信模塊(簡稱“4G 模塊”)，在列車、雙向變流器和能量運控系統(ECMS)之間建立通信環路。能量運控系統通過 4G 模塊收集列車、雙向變流器、變壓器、牽引變電站以及牽引線和鋼軌的參數，對雙向變流器的輸出電壓指令進行優化，最終達到降低電能傳輸損耗、抑制列車電壓波動、降低鋼軌電位的目的。

　　1 牽引供電能量運控系統架構

　　牽引供電系統主要包括基于雙向變流器的變電站、列車、地面和車載 4G 模塊以及能量運控系統(圖 1)。本文所提能量運控系統(ECMS)是可逆型智慧地鐵牽引電網的上層控制單元。

　　4G 模塊被分別安裝在雙向變流器、列車和能量運控系統內部，在變流器和能量運控系統之間進行相互數據通信。出于系統安全性考慮，列車僅向能量運控系統發送狀態量，但不接收能量運控系統指令，因此列車必須按照規劃的運行圖行駛，在地鐵運營期間無法通過能量運控系統對運行圖進行實時調整。

　　能源運控單元是能量運控系統的核心，包括服務器、數據庫、4G 通信模塊、監視器、鍵盤和其他外圍輸入及輸出設備，提供數據發送和接收、數據分析以及控制策略制定的功能。根據目標函數和系統物理約束條件，能量運控系統通過智能算法確定直流鏈的功率分配，以實現節能、穩定電壓和優化線路質量的目標。

　　作為物理執行單元，雙向變流器跟蹤來自能量運控系統的輸出電壓命令，以完成列車和牽引電源系統之間的實際潮流分配。

　　牽引變電站的位置、直流輸出電壓、電流、列車功率和運行位置以及牽引網導線阻抗、鋼軌阻抗等參數信息通過 4G 模塊傳輸至能量運控系統。根據接收到的數據，能量運控系統迭代計算牽引供電系統的導納矩陣、節點電壓和節點電流，以完成實際牽引供電系統的數字化重構。然后在確保牽引供電系統和列車安全穩定運行的前提下，考慮輸電損耗、交流 110 kV 電網功率因數以及變電站容量、電網電壓波動和鋼軌電位等約束條件，通過啟發式算法搜索直流輸出電壓、無功和有功電流的最優指令。另外，能量運控系統可以動態調整牽引網全線雙向變流器的輸出特性，靈活地分配各個雙向變流器的輸入、輸出功率，從而實現對臨近故障變電站的能量救援，以確保牽引供電系統的供電可靠性。

　　2 能量運控系統工作原理

　　牽引供電能量運控系統優化調度策略有兩個關鍵：(1)每個采樣周期內重建真實的供電網絡;(2)針對多個目標和約束條件，能量運控系統通過遺傳算法求解雙向變流器的直流輸出電壓。

　　2.1 牽引供電系統的數字重構

　　2.1.1 系統建模

　　由于每個牽引變電站都采用雙向變流器與列車交換能量，為方便表述，本文用雙向變流器替代牽引變電站作為牽引供電系統模型中的電壓源或功率源節點 [14] 。

　　牽引供電網的等效電路如圖 2 所示，其中 Vx， rcx 和 (x=1, 2, …, n) 分別表示第 x 個雙向變流器的直流輸出電壓、電流和等效輸出阻抗;VTx 表示第 x 個列車的直流輸入電壓;Rx 表示第 x 個和第 (x+1) 個雙向變流器之間傳輸線的阻抗。整個運行過程中，雙向變流器的狀態函數 s 為(逆變 / 整流模式) (1) 式中：Pmax——雙向變流器峰值功率，其中 Pmax_T 表示整流模式下峰值功率，Pmax_F 表示逆變模式下峰值功率;PLoad——列車功率。

　　當雙向變流器的最大功率大于負載功率需求時，將變流器等效為電壓源;而當雙向變流器的最大功率小于負載功率需求時，將變流器等效為恒功率源。兩種模式的功率輸出方式不同，Pmax_F是Pmax_T的兩倍，這是因為在工作周期內，在逆變模式下，雙向變流器先運行 30 s 回收制動能量，然后再停止運行 90 s;而在整流模式下，雙向變流器連續輸出功率。

　　近年來，隨著車載制動電阻器的取消，線路上運行的列車可被等效為一個時變功率源。

　　2.1.2 牽引供電系統節點電壓和潮流計算

　　牽引供電系統節點電壓計算流程如下：

　　(1)根據牽引線和鋼軌的阻抗、每列列車的實時位置以及每個變電站的位置來制定節點導納矩陣，然后設置每個雙向變流器和每個列車的初始電壓值。

　　(2)利用 Picard 算法計算節點電壓，并將其用于更新雙向變流器和列車的狀態。如果迭代值收斂，則迭代過程完成;否則，再更新來自列車的數據并修改節點導納矩陣之后，計算程序將跳至 Picard 迭代步驟，并重復之前的步驟。圖 3 示出節點電壓計算具體流程。

　　為方便定義節點導納矩陣，圖 4 示出牽引供電系統的簡化網絡拓撲。

　　導納矩陣的節點根據距地鐵線路始發站的距離進行升序排列。由于列車的移動性，通常需要在下一個采樣周期內對導納矩陣的節點進行重新排序以形成新矩陣。而雙向變流器的位置不變，因此不必每次都重新配置導納矩陣中雙向變流器的節點位置。于是，可依次按雙向變流器、上行列車、下行列車順序排布，構建節點導納矩陣 Y： (2) 式中：Yss——雙向變流器之間的節點導納矩陣; Ytt——列車之間的節點導納矩陣;Yst——雙向變流器和列車之間的節點導納矩陣;Yts——列車與雙向變流器之間的節點導納矩陣，由于矩陣的對稱性，因此Yts 和 Yst 相同。

　　以 Yss 為例說明計算過程。假設無列車在地鐵線上行駛，則每個供電區間的導納矩陣 Yss 中的牽引線導納(g i T)、鋼軌導納(g i R)和泄露導納(g i X)依次按式 (3) 計算獲得。 (3) 式中：li——第 i 個電源部分的長度;r1, r2——牽引線纜和鋼軌的單位電阻;g0——鋼軌的單位泄漏導納。

　　考慮第 i 個電源部分中的上行列車的情況，應將第 i 個雙向變流器和第(i + 1)個雙向變流器對應的節點導納修改為 (4) 同樣，如果第 i 個電源 s 中有一個下行列車，則 Yss 也可以根據式 (4) 進行修正。Yss 和 Yst 需要根據每列列車的實時位置進行更新。Yss 中的對角元素可以由 Ytt 和 Yst 獲得，而無須額外進行計算。

　　在獲得節點導納矩陣之后，可以通過 Picard 法來計算整個系統節點電壓和系統潮流，從而完成牽引供電系統的數字重構。

　　2.2 基于雙向變流器的能量管理策略

　　基于雙向變流器的能量管理策略旨在通過動態調整雙向變流器的直流輸出電壓，在保證整個地鐵線路正常運行的前提下盡可能地降低牽引電網能耗。

　　牽引電網能耗的目標函數如下： (5) 式中：Vi——第 i 個雙向變流器的直流輸出電壓; Ii——第 i 個雙向變流器的直流輸出電流;PBC， PBC_rated——雙向變流器的實時功率和額定功率;Vtrain——列車電壓;Vsteel_rail——節點軌電位;n——地鐵線路中變電站的總數。

　　根據標準 EN50122-1:1998《鐵路應用——地面裝置》，軌電位不得高于 110 V。另外，制動工況下，當 Vtrain>1 900 V 時，列車將啟動閘瓦制動，以減少再生制動能量，阻止電壓繼續升高;但此時，列車制動能量將被轉化為熱能耗散到空氣中，造成能量浪費。因此在優化目標函數中，增加列車電壓不超過 1 900 V 的約束。

　　在滿足列車正常運行需求的前提下，可以通過減少電能傳輸損耗和提高再生制動能量在牽引列車和制動列車之間充分循環利用率來降低整個牽引供電系統的能耗。這兩種方式都可以通過調整每個雙向變流器的直流輸出電壓來實現。

　　基于牽引供電系統的數字重構和目標函數可以通過遺傳算法來求解每個雙向變流器最優直流輸出電壓。圖 5 示出最優解的可行區域。最優解的搜索軌跡隨機分布在陰影區域。當雙向變流器的直流輸出電壓低于 Vth_T 時，雙向變流器被切換到整流模式以向列車提供牽引功率。當直流輸出電壓高于 Vth_T 時，雙向變流器運行在逆變模式，將制動能量回饋至 35 kV 交流電網。若電流在 (-Inlc, Inlc) 區間時，則說明在由相鄰的兩雙向變流器供電的區間內無列車運行。在這種情況下，采用下垂控制來抑制相鄰雙向變流器間的環流，以降低雙向變流器的空載損耗。雙向變流器達到其峰值功率時，將轉換至恒功率源模式。

　　3 仿真和試驗驗證

　　為了驗證能量管理策略能的有效性，通過仿真和現場試驗，利用第 2 節的模型及能量管理策略，對牽引電網進行實時重構，優化并控制雙向變流器輸出電壓，實現線路運行車輛再生制動能量合理分配利用。

　　3.1 系統仿真

　　基于某中部城市地鐵 2 號線線路阻抗參數，對本文所提能量運控系統進行仿真驗證，仿真參數如表 1 所示。該地鐵 2 號線所有牽引變電站均配置雙向變流器，上下行共有 8 個牽引變電站和 9 輛列車。列車的運行圖和功率曲線如圖 6 所示。正功率值表示列車吸收能量，負功率值表示列車回饋再生制動能量。

　　表 2 示出有無能量運控系統牽引電網全線能耗對比數據。無能量運控系統進行優化時，每個雙向變流器的直流輸出電壓固定為 1 800 V;增加能量運控系統進行優化后，每個雙向變流器的直流輸出電壓在 1 750 V 至 1 850 V 的范圍內變化。能量運控系統的目標為最小化回饋能量和傳輸線損耗，以確保相鄰列車充分利用再生制動能量。由表 2 可知，經能量運控系統優化之后，全線牽引變電站牽引輸出能量由 1 755.8 kWh 減少至 1 607.68 kWh，同時向 35 kV 電網回饋的再生制動能量由 603.561 kWh 減少至 456.11 kWh。全線牽引電網總能耗由 1 170.35 kWh 減少至 1 165.25 kWh，系統總能耗降低了 0.436%。

　　3.2 現場試驗

　　本文所提能量運控系統在某城市地鐵 4 號線進行了試驗驗證。由于受到地鐵運營的限制，現場試驗選取了 4 個牽引變電站、2 列車進行測試。4 個牽引變電站的總長度為 13.59 km，每列列車的最高速度為 76 km / h，峰值功率為 4.2 MW，數據采樣周期為 100 ms。

　　目前國內還沒有全線配置雙向變流器的地鐵線路，因此在試驗中牽引供電系統仍包含 24 脈波整流器。為了驗證本文所提的優化策略，能量回饋裝置開通雙向變流功能，并控制直流輸出電壓最小值高于 24 脈波整流器的空載直流輸出電壓(1 680 V)，使得整流器反向截止。

　　盡管試驗和仿真條件存在差異，但是能夠基于不同的運行工況去驗證本文所提能量運控系統的有效性。

　　圖 7 示出奧體中心站電壓、電流波形。由于能量回饋裝置的額定功率僅為 1.6 MW，在牽引網重載情況下不能滿足列車的功率需求，因此牽引網電壓會降低，使得 24 脈波整流器導通，進而補充列車所需功率差額。

　　圖 8 示出列車運行狀態數據。由圖可知，列車的最大牽引電流在 12:17:05 時刻達到 2 728 A，受電弓電壓降低到 1 544 V，列車功率為 4.2 MW，由雙向變流器和二極管整流器共同提供能量。圖 9 示出運控系統優化前后牽引電網能耗對比的實驗數據。整個實驗持續 42 min。通過能量運控系統優化后，4 個變電站的總牽引能從 1 204.84 kWh 降低至 1 144.50 kWh。雙向變流器回饋能量從 455.38 kWh 降低至 397.51 kWh。制動列車和牽引列車之間的循環能量從 10.76 kWh 增加到 80.01 kWh。 35 kV 交流電網的總能耗從 1 167.86 kWh 降低至 1 076.22 kWh。需注意的是，兩列列車的總能耗在沒有能量運控系統的情況下為 1 057.35 kWh，而在有能量運控系統的情況下為 974.67 kWh。差異是由對比實驗中兩個駕駛員的駕駛習慣和環境溫度不同造成的。考慮以上因素，通過能量運控系統優化后，交流電網的總能耗降低了 0.767%。

　　4 結語

　　本文提出了一種基于雙向變流器的地鐵牽引供電網能量運控系統。該系統采用無線 4G 模塊實現與列車、雙向變流器的數據交互。首先，通過 4G 模塊采集雙向變流器的電壓 / 電流和位置信息、列車的實時位置和功率以及牽引網導線和鋼軌的阻抗數據后，能量運控系統用 Picard 法迭代計算導納矩陣、節點電壓和節點電流以實現牽引供電網的數字重構;然后，利用遺傳算法，綜合考慮傳輸損耗、功率因數、變電站容量、電網電壓波動和軌電位等約束條件，優化每個雙向變流器的直流輸出電壓指令;雙向變流器跟蹤能量運控系統下發的指令，以提高再生制動能量回收的利用效率，提高牽引供電系統的效率，并在多個變電站之間靈活地進行能量分配。

　　由某城市地鐵線實驗結果顯示，所提能量運控系統可以有效提列車對再生制動能量的利用率，降低牽引電網總體能耗 0.767%。下一步工作將重點研究數據傳輸延遲對系統節能和穩定性的影響以及系統故障處理技術。