0 引言

随着经济水平的不断提高和城市化进程的快速推进,环境友好性和能源可持续性逐步成为城市电网规划建设的两大目标。在人口日益增加及交通拥堵问题进一步凸显的状况下,电气化城市轨道交通成为公共交通网络的发展方向^[1-2];同时为了解决环境污染和能源危机等问题,实现经济的低碳发展和可持续性进步,电动汽车代替传统汽车成为必然趋势^[3-4]。因此,由电气化轨道交通车辆和电动汽车组成的城市综合交通系统将成为电网负荷的重要组成部分,其供电系统的低碳节能、绿色环保是城市电网可持续发展的关键一环,也是世界各国所面临的共同课题。

传统的直流牵引供电系统一般利用不可控二极管整流器供电,电力机车运行所需的能量全部来源于公共电网,当直流母线参考电压为750 V时,其波动范围标准为500~900 V。城市轨道交通车辆具有运行站距短、启动和制动频繁的特点,电力机车在运行线路上频繁制动形成可观的制动能量,由于直流牵引供电系统的不可控供电方式,制动能量必须被消耗或回收,以维持直流母线电压的稳定,而制动能量回收可以提高系统的整体能源利用效率,符合牵引供电系统的可持续发展方向^[5]。另一方面,能源供给是电动汽车发展和普及的基础,电动汽车的能源供给模式包括插电和换电两种^[6]。相对于插电模式,基于动力电池租赁和集中式充电的换电模式具有诸多优势,已经成为电动汽车产业极具竞争力的发展模式。换电站可对动力电池进行统一管理,特定情形下作为储能为系统其他单元提供支撑^[7-9]。

对于直流牵引供电系统和电动汽车换电站来说,如果依旧单一地通过传统集中式的公共电网获取电能,那么其可持续性与经济性将大大下降,也难以满足其安全性与可靠性要求。因此,充分利用城市轨道交通线路的空间来引入以可再生能源为主的分布式电源,同时结合储能装置和电动汽车换电站,形成基于直流微电网的城市综合交通供电系统,是直流牵引供电系统全新的发展思路^[10]。直流微电网的应用已经渗透到可持续性建筑、绿色数据中心、电动汽车充电站、电气化船舶、多电飞机等领域^[11-14],而城市综合交通供电系统将是直流微电网又一应用尝试。

直流微电网是由分布式电源、储能装置、负荷设施按照特定的拓扑架构组成的自治系统,具有多源、多荷、多储、多运行模态的特点^[15-18]。如何协调各单元以保证系统功率平衡和直流母线电压稳定是当前直流微电网的研究重点,也是其安全稳定、灵活高效运行的关键^[19-22]。文献[23]提出了包括3级架构的分层控制策略,直流微电网系统包括1个中央控制器,初级控制利用下垂控制方式稳定直流母线电压,次级控制主要调整初级控制中引起的电压偏差,3级控制负责系统的功率优化与分配。文献[24]提出了一种孤岛直流微电网协调控制策略,包括初级控制和集中式的2级控制2层,初级控制是基于储能单元荷电状态的直流母线电压控制,并利用电压信号控制系统源荷平衡,2级控制利用中央控制器实现直流母线电压的补偿。传统的分层控制一般利用中央控制器进行能量管理,并对系统各单元集中监控,通常情况下能够较好地实现控制目标,但系统对中央控制器及通信线路依赖过高,使整体可靠性大大降低。为了提高系统控制的灵活性和可靠性,文献[25]提出了基于直流母线电压信号(DBS)的协调控制策略,文献[26-28]对该控制策略进行了优化和改进。以直流母线电压做为系统功率状况的评判信号,省去了中央控制器和通信线路,各单元接口变换器可以平滑切换控制模式,实现系统的功率平衡。但是上述控制策略没有考虑多源间的精确功率分配问题,同时电压为局部变量,各单元接入直流母线点的电压不同,因此会影响系统的模式切换。

本文将电气化轨道交通车辆的直流牵引供电系统和电动汽车换电站结合起来,同时在系统中引入以可再生能源为主的直流微电网,从而形成一个绿色环保、灵活互补、安全可靠的动态城市综合交通供电系统。该系统可以实现地铁的电力机车供电、制动能量回收及电动汽车换电站中动力电池的充电,在充分利用可再生能源的同时增加各单元运行的经济性。针对所研究的城市综合交通供电系统,进一步结合传统分层控制中可靠性方面和基于DBS的协调控制策略中分布式电源功率分配方面的不足,提出了基于DBS和低带宽通信的协调控制,对各模式间的切换信号进行了优化,加入了电压信号同步预处理环节,同时利用协调控制策略下各单元的信息交换能力,提出了基于自适应虚拟阻抗的改进下垂控制,实现了分布式电源间的功率均分。最后,为验证所提系统及控制策略的有效性,利用Matlab/Simulink搭建了模型,对系统各个运行模式进行了仿真。

1 城市综合交通供电系统简介

现有的直流牵引供电系统中普遍采用双边供电形式,当一端变电站发生故障时,可以采用单边供电方式维持,从而提高供电质量。在此基础上进行改进,城市综合交通供电系统拓扑结构如图1所示,系统整体采取双边混合供电形式,牵引变电站A、B分别采用双向AC-DC变换器和24脉波整流器进行电力转换,而光伏阵列、蓄电池和电动汽车动力电池在一个供电分区内形成直流微电网。电动汽车动力电池做为系统中的特殊负荷,在特定情况下可以释放功率以维持直流母线电压稳定,电力机车启动时从供电系统吸收能量,制动时会回馈一定的能量,实现城市轨道交通制动能量的回收利用。

当电力机车启动时,系统的功率关系为

图1 城市综合交通供电系统拓扑结构 Fig.1 Power supply system topology of urban comprehensive transportation

\({{P}_{\mathrm{grid1}}}\mathrm{+}{{P}_{\mathrm{grid2}}}\mathrm{+}{{P}_{\mathrm{pv1}}}\mathrm{+}{{P}_{\mathrm{pv2}}}\mathrm{=}-{{P}_{\mathrm{bat}}}\mathrm{+}{{P}_{\text{p}\mathrm{b}}}\mathrm{+}{{P}_{\mathrm{load}}}\) (1)

当电力机车制动时,系统的功率关系为

\({{P}_{\text{grid}1}}\text{+}{{P}_{\text{grid2}}}\text{+}{{P}_{\text{pv}1}}\text{+}{{P}_{\text{pv}2}}\text{+}{{P}_{\text{b}}}\text{=}-{{P}_{\text{bat}}}\text{+}{{P}_{\text{pb}}}\) (2)

正常情况下,直流微电网运行在并网状态,公共电网1通过双向AC-DC变换器控制功率的大小与流向。当公共电网1断开连接时,电网2不能对直流母线电压进行控制,因此定义该系统的此种状态为直流微电网类孤岛状态。将电动汽车换电站和城市轨道交通直流牵引供电系统结合形成城市综合交通供电系统,同时引入以可再生能源为主的直流微电网辅助供电,可以实现电动汽车动力电池充电和电力机车制动能量回收,提高直流牵引供电系统的可靠性,减少电动汽车换电站的建设成本,增加系统整体的灵活性、低碳性和经济性。在电力机车运行低谷时段,传统直流牵引供电系统的牵引变电站功率因数较低,而此时增加换电站中电动汽车动力电池的充电功率,从而达到提高牵引变电站功率因数的效果。因此,通过各单元间的互补融合和协调控制,可以实现可再生能源的有效利用和城市综合交通系统的可持续供电。

2 基于DBS和低带宽通信的协调控制

传统的DBS协调控制策略虽然不需要借助通信线路,但是不能实现系统功率的优化和直流母线电压的补偿,容易造成各模式间切换失败,同时电力机车为冲击性负荷,在启动和制动过程中产生较大的功率变化,如果利用下垂控制分配功率的光伏电源间不能实现功率精确,将会对系统稳定性产生影响。而分层控制策略需要依赖中央控制器进行直流母线电压的调节和协调运行模式的切换,这样就大大降低了系统整体的可靠性。因此,提出基于DBS和低带宽通信的协调控制策略,以实现城市综合交通供电系统的功率平衡和直流母线电压的稳定。

该协调控制策略以DBS为各模式间的切换判据,省去了模式切换所需要的集中控制器,而利用低带宽通信进行各单元本地信息的交换,实现系统DBS的统一,提高各模式间切换的可靠性,同时进行变换器下垂控制策略下的功率精确分配处理,进一步提高系统的性能,该协调控制策略下系统的工作模式及协调控制流程见图2,图中S表示模式切

换的开关变量,\(\Delta U_{\text{dc}}^{*}\)为直流母线电压参考信号标幺

值与预处理后的直流母线电压信号标幺值的差。由于系统中电压并不是全局变量,各单元在直流母线连接点处的电压各不相同,因此加入电压信号同步预处理环节,以保证模式切换的可靠进行。

当直流微电网运行在并网状态时,直流母线电压信号为：

\({{U}_{\text{dc}}}\text{=}\frac{{{U}_{\text{g}1}}\text{+}\sum\limits_{i\text{=}1}^{n{}_{1}}{{{U}_{\text{P}i}}}\text{+}\sum\limits_{i\text{=}1}^{{{n}_{\text{2}}}}{{{U}_{\text{b}i}}}\text{+}\sum\limits_{i\text{=}1}^{{{n}_{\text{3}}}}{{{U}_{\text{Pb}i}}}}{N}\) (3)

\(N\text{=}1\text{+}{{n}_{\text{1}}}\text{+}n{}_{\text{2}}\text{+}{{n}_{\text{3}}}\) (4)

当直流微电网运行在孤岛状态时,直流母线电压信号为：

\({{U}_{\text{dc}}}\text{=}\frac{\sum\limits_{i\text{=}1}^{{{m}_{1}}}{{{U}_{\text{P}i}}}\text{+}\sum\limits_{i\text{=}1}^{{{m}_{\text{2}}}}{{{U}_{\text{b}i}}}\text{+}\sum\limits_{i\text{=}1}^{{{m}_{\text{3}}}}{{{U}_{\text{Pb}i}}}}{M}\) (5)

\(M\text{=}{{m}_{\text{1}}}\text{+}{{m}_{\text{2}}}\text{+}{{m}_{\text{3}}}\) (6)

\(U_{\text{dc}}^{\text{*}}\text{=}\frac{{{U}_{\text{dc}}}}{{{U}_{\text{dcf}}}}\) (7)

\(U_{\text{dcf}}^{\text{*}}\text{=}\frac{{{U}_{\text{dcf}}}}{{{U}_{\text{dcf}}}}\)=1 (8)

式中：N为并网时单元总数;M为孤岛时单元总数;U_dc为经过预处理后的直流母线电压信号;U_dcf为直流母线电压的参考值;U_g1为电网1接入直流母线点处的电压;U_Pi、U_bi、U_Pbi分别为第i个光伏单元、蓄电池储能单元、动力电池充电单元接入直流母线点处的电压;n₁、n₂、n₃分别为系统并网状态下光

图2 系统工作模式及协调控制流程图 Fig.2 Flow chart of working mode and coordinated control

伏单元、蓄电池储能单元、动力电池充电单元的个数;m₁、m₂、m₃分别为系统孤岛状态下光伏单元、蓄电池储能单元、动力电池充电单元的个

数;\(U_{\text{dc}}^{\text{*}}\)为直流母线电压信号的标幺值;\(U_{\text{dcf}}^{\text{*}}\)为直

流母线电压参考的标幺值。

系统以经过同步预处理的直流母线电压为切换信号,当系统功率状况发生变化时,直流母线电压会出现波动,当达到电压切换阈值时会出现模式转变。系统在每种工作模式下都有1个单元来维持直流母线电压的稳定,此时该单元可等效为电压源,其他单元可等效为电流源,城市综合交通供电系统具体可以划分为4种工作模式。

1）工作模式1：此时\(-0.07\le \Delta U_{\text{dc}}^{*}<-0.02\),

0≤S<1,直流微电网运行在类孤岛状态,系统功率余额超过了蓄电池的最大充电功率。电动汽车动力电池进行恒功率充电,蓄电池以最大功率进行充电,由于没有大电网的功率支撑,2个光伏电源(photovoltaic,PV)变换器由正常情况下的最大功率追踪(MPPT)转换为改进下垂控制策略,以维持系统功率平衡,控制直流母线电压的稳定。

2）工作模式2：此时\(-0.02\le \Delta U_{\text{dc}}^{*}<0.03\),

1≤S<2,直流微电网运行在并网状态。电网1通过双向AC-DC变换器以恒压方式控制直流母线电压的稳定,光伏电源采用MPPT控制策略以保证可再生能源的充分利用,蓄电池和电动汽车动力电池进行恒功率充电,当蓄电池达到设定的最大荷电状态时切换为待机模式。

3）工作模式3：此时\(0.03\le \Delta U_{\text{dc}}^{*}<0.08\),2≤S<3,

直流微电网运行在类孤岛状态。光伏电源工作在MPPT控制模式,动力电池进行恒功率充电,蓄电池通过恒压模式控制直流母线电压的稳定,当系统出现功率缺额时蓄电池放电,出现功率余额时蓄电池充电。

4）工作模式4：此时\(0.08\le \Delta U_{\text{dc}}^{*}<0.13\),3≤S<4,

直流微电网运行在类孤岛状态,系统功率缺额超过了蓄电池的最大放电功率。光伏电源工作在MPPT控制模式,蓄电池以最大功率进行放电,为了保证电力机车的电力供应,电动汽车动力电池需要进行部分功率切除,必要时动力电池可以通过放电弥补系统功率缺额。

3 基于自适应虚拟阻抗的改进下垂控制

3.1 并联光伏电源系统稳态分析

图3为并联光伏电源的稳态等效电路图,图中U_D1、U_D2,U₁、U₂,R_droop1、R_droop2,R₁、R₂,I₁、I₂分别代表光伏电源1、2的输出电压,空载状态下输出电压,下垂虚拟阻抗,线路阻抗,输出电流,R_L和I_L代表负载阻抗和负载电流,I_C为两个并联光伏电源间的环流。传统下垂控制策略的计算式可以表示为：

\({{U}_{\text{D}1}}\text{=}{{U}_{\text{1}}}-{{I}_{\text{1}}}{{R}_{\text{droop1}}}\) (9)

\({{U}_{\text{D}2}}\text{=}{{U}_{2}}-{{I}_{2}}{{R}_{\text{droop2}}}\) (10)

同时根据图3可得如下关系：

\({{I}_{\text{L}}}\text{=}{{I}_{1}}\text{+}{{I}_{2}}\) (11)

\({{U}_{\text{D}1}}\text{=}{{I}_{1}}{{R}_{1}}\text{+}{{I}_{\text{L}}}{{R}_{\mathrm{L}}}\) (12)

\({{U}_{\text{D2}}}\text{=}{{I}_{2}}{{R}_{2}}\text{+}{{I}_{\text{L}}}{{R}_{\mathrm{L}}}\) (13)

由式(9)—(13)可以分别得到2个光伏电源的输出电流：

\({{I}_{1}}=\frac{({{R}_{\mathrm{L}}}+{{R}_{2}}\text{+}{{R}_{\text{droop2}}}){{U}_{1}}-{{R}_{\mathrm{L}}}{{U}_{2}}}{({{R}_{\mathrm{L}}}+{{R}_{2}}\text{+}{{R}_{\text{droop2}}})({{R}_{\mathrm{L}}}+{{R}_{1}}\text{+}{{R}_{\text{droop1}}})-{{R}_{\mathrm{L}}}^{2}}\) (14)

\({{I}_{2}}=\frac{({{R}_{\mathrm{L}}}+{{R}_{1}}\text{+}{{R}_{\text{droop1}}}){{U}_{2}}-{{R}_{\mathrm{L}}}{{U}_{1}}}{({{R}_{\mathrm{L}}}+{{R}_{1}}\text{+}{{R}_{\text{droop1}}})({{R}_{\mathrm{L}}}+{{R}_{2}}\text{+}{{R}_{\text{droop2}}})-{{R}_{\mathrm{L}}}^{2}}\) (15)

从式(14)—(15)可以看出,在光伏电源空载电压参考值和负载值确定后,光伏电源的输出电流取决于下垂虚拟阻抗和线路阻抗大小,而在U₁=U₂的情况下实现功率均分需满足如下关系

\({{R}_{1}}\text{+}{{R}_{\text{droop1}}}\text{=}{{R}_{2}}\text{+}{{R}_{\text{droop2}}}\) (16)

在图3中利用网孔电流法可以得到2个并联光伏电源间的环流大小为

\({{I}_{\text{C}}}\text{=}\frac{{{I}_{1}}{{R}_{1}}-{{I}_{2}}{{R}_{2}}}{{{R}_{1}}+{{R}_{2}}}\) (17)

当2个光伏电源达到功率均分时,即I₁=I₂,其环流可以表示为

\({{I}_{\text{C}}}\text{=}\frac{{{I}_{1}}({{R}_{1}}-{{R}_{2}})}{{{R}_{1}}+{{R}_{2}}}\) (18)

通常情况下R₁≈R₂,当光伏电源功率均分时环流几乎为0。

3.2 下垂控制策略特性分析

图4为传统下垂控制特性示意图,L_D1、L_D2 和L_O1、L_O2是由上述关系式得到的光伏电源1、2的下垂特性曲线和输出特性曲线,两曲线的交点即光伏电源的实际运行点。

光伏电源1、2的初始运行点分别为D、B点,由于线路阻抗和下垂虚拟阻抗的影响,光伏电源1、2间的功率分配出现较大的偏差,而且在设定2者的下垂虚拟阻抗相等时,线路阻抗的存在也会造成功率分配不均。当光伏电源1的下垂虚拟阻抗变大

时,其下垂特性曲线由L_D1变为\(L_{\text{D}1}^{*}\),实际运行点由

D点变为C点,而运行点的横纵坐标分别为光伏电源1的输出电流和输出电压;当光伏电源2的线路

阻抗变大时,其输出特性曲线由L_O2变为\(L_{\text{O}2}^{*}\),实

际运行点由B变成A。由此可以看出：当线路阻抗一定时,下垂虚拟阻抗增大会导致光伏电源的输出电压、输出电流均减小,从而使分配的负载功率减小;当下垂虚拟阻抗一定时,线路阻抗增大会导致光伏电源的输出电压增加、输出电流减小,从而导致分配的功率减小。

3.3 改进下垂控制策略分析

图5为自适应虚拟阻抗调整示意图,I₀为功率均分时光伏电源的输出电流,\(R_{\text{droop1}}^{*}\)为经过光伏电源1经过调整后的下垂虚拟阻抗,\(R_{\text{droop2}}^{*}\)为光伏电

源2经过调整后的下垂虚拟阻抗。设置光伏电源1和2的初始下垂虚拟阻抗相等,E、F点为光伏电源1、2的初始实际运行点,此时I₁≠I₂,即两光伏电源间没有均分功率。见图5左框图,对于光伏电源1来说需要减小下垂虚拟阻抗,从而增加输出电流,实际运行点变为G点;见图5右框图,对于光伏电源2来说需要增加下垂虚拟阻抗,从而减小输出电流,实际运行点变为H点。

图3 并联光伏电源的稳态等效电路 Fig.3 Steady state equivalent circuit of parallel photovoltaic sources

图4 传统下垂控制特性示意图 Fig.4 Characteristic of traditional droop control

图5 自适应虚拟阻抗调整示意图 Fig.5 Adjustment schemes of adaptive virtual impedance

图6为改进下垂控制策略控制框图,在传统下垂控制中加入自适应下垂虚拟阻抗调整环节,当I₁>I₀时,通过PI控制器逐渐增大下垂虚拟阻抗大小,直到I₁=I₀,当I₁<I₀时亦然。利用自适应下垂虚拟阻抗调整环节得到新的下垂虚拟阻抗值,经过下垂处理环节及电压电流双闭环得到光伏DC/DC变换器的控制信号,从而实现光伏电源间的功率均分及环流最小。

4 系统各单元变换器控制

4.1 光伏变换器控制

在该协调控制策略下,光伏单元有MPPT控制和改进下垂控制策略2种,在采用MPPT控制的工作模式中,光伏电源可以等效为电流源,图7为MPPT控制框图,图中U_pv为光伏电池的输出电压,

I_pv为光伏电池的输出电流,\(U_{\text{pv}}^{*}\)为电压外环参考值,\(I_{\text{pv}}^{*}\)为电流内环参考值。利用增量电导算法求出最大

功率处的光伏参考电压,经过电压和电流双闭环控制可以得到变换器的PWM信号。当系统处于工作模式1时光伏单元采用改进下垂控制,此时光伏变换器为电压源型变换器。

4.2 储能变换器控制

蓄电池变换器在不同的工作模式下有恒压、恒功率和待机3种控制模式,图8为具体的蓄电池变

换器控制框图,图中\({{I}_{\text{bat}}}\)为蓄电池的输出电流,\({{I}_{\text{bat }\!\!\_\!\!\text{ ref}}}\)为蓄电池输出电流参考值,U_b为蓄电池单元投入直流母线点处电压。当蓄电池荷电状态

达到最低或最高时,其切换到待机状态,从而防止过放或过充,提高蓄电池的使用寿命。而电动汽车动力电池为特殊类型负荷,其详细的切负荷操作流程见文献[24],而需要动力电池提供功率支撑时,其控制方式与蓄电池类似。

4.3 电网变换器控制

在系统处于并网运行状态,电网变换器控制直流母线电压的稳定,实现功率的双向流动。当电网向直流微电网释放功率时变换器处于整流状态,当电网从直流微电网吸收功率时变换器处于逆变状态。设定无功功率参考值为0,从而实现单位功率因数运行,电压外环控制直流母线电压,电流内环控制功率的大小和流向。如图9所示为电网变换器

控制框图,\({{Q}_{\text{g }\!\!\_\!\!\text{ ref}}}\)为电网无功功率参考值,\({{Q}_{\text{g}}}\)为电网无功功率的实测值,\({{i}_{d}}\)、\({{i}_{q}}\)和\({{u}_{d}}\)、\({{u}_{q}}\)分别为电网

并网电流和电压经坐标变换后的dq轴分量。

图6 改进下垂控制策略控制框图 Fig.6 Block diagram of improved droop control

图7 光伏变换器MPPT控制框图 Fig.7 Control block diagram of MPPT for photovoltaic converter

图8 蓄电池变换器控制框图 Fig.8 Control block diagram of battery converter

图9 电网变换器控制框图 Fig.9 Control block diagram of grid converter

5 仿真验证

在Matlab/Simlink中搭建仿真模型,对所提出的协调控制策略进行验证。系统中直流母线电压参考值为750 V,电网2的额定输出功率为35 kW,光伏1和2在1 000 kW/m²、25 ℃的最大输出功率均为40 kW,蓄电池的最大充放电功率为40 kW,动力电池的额定功率为30 kW,电力机车启动时总额定功率为30 kW,制动时最大输出功率为50 kW。

5.1 改进下垂控制仿真分析

图10为下垂控制下光伏输出功率,PV1和PV2分别表示光伏电源1和2。在下垂控制策略下,光伏电源可以控制直流母线电压的稳定,其总功率为系统其他单元输出的功率缺额。当系统中其他单元的功率发生变化时,光伏电源通过下垂控制实现输出功率的改变。传统下垂控制下光伏1和2的下垂系数取值均为0.3,线路阻抗分别为0.15 Ω和0.18 Ω。在2~5 s时光伏电源的总输出功率为55 kW,传统下垂控制中虽然下垂系数相等,但受光伏电源线路阻抗的影响,功率分配中出现较大的差距,无法实现精确的功率均分。同时,在5~8 s和8~11 s时系统的光伏电源总输出功率分别为45 kW和35 kW,光伏电源1和2可以在传统下垂控制下响应系统的功率变化,但是始终无法实现输出功率的均分。改进下垂控制下系统的参数和传统下垂控制保持一致,当系统达到稳态时,随着光伏电源的总输出功率的提升,通过自适应虚拟阻抗的调节,两者较好地实现了功率均分,因而提高了协调控制策略下的功率分配精度。因此,在协调控制策略下利用所提出的改进下垂控制可以消除线路阻抗的影响,较好地实现分布式电源间的功率均分。

5.2 工作模式1仿真分析

表1为工作模式1下各单元的功率状况,图11为工作模式1时的系统运行特性,系统运行过程中“源-网-荷”的功率始终保持平衡。仿真开始时系统处于并网状态,电力机车处于惰行状态,动力电池吸收功率为30 kW,蓄电池以40 kW的恒定功率进行充电,光伏电源1和2在MPPT模式下的输出功率分别为40 kW和30 kW,电网2输出功率为10 kW,电网1的并网变换器控制直流母线电压的稳定。6 s时直流微电网由并网状态转换为类孤岛状态,此时电力机车出现了制动,制动功率为20 kW,系统功率过剩,直流母线电压开始升高,当进入工作模式1的电压层区时光伏电源开始转换为改进下垂控制,通过降功率来维持直流母线电压的稳定。在10 s电力机车制动功率发生变化时,直流母线电压有所回升,光伏电源间功率均分且控制了直流母线电压稳定。

5.3 工作模式2仿真分析

图12为工作模式2时的系统运行特性,此时直流微电网处于并网运行状态,并网变换器通过实

表1 工作模式1下的功率情况 Table 1 Power of working mode 1

图10 下垂控制下光伏输出功率 Fig.10 Photovoltaic output power under droop control

图11 工作模式1时的系统运行特性 Fig.11 System characteristics of working mode 1

时调整功率的大小和流向,维持直流母线的电压稳定。电网2以35 kW的额定功率向系统供电,动力电池作为特殊负荷也以30 kW的额定值吸收功率。由于电网1的支撑作用,蓄电池工作在恒功率充电状态,充电完成后作为备用电源切换到待机状态。表2为工作模式2下各单元的功率状况,系统内各单元功率大小始终满足式(1)的平衡,因此直流母线电压可以保持恒定。

仿真开始后,电力机车负荷为0 kW,光伏1的辐照度为700 kW/m²,输出功率约为27 kW,光伏2的辐照度为500 kW/m²,输出功率约为19 kW,电网1通过恒压控制吸收直流微电网中的功率余额,维持直流母线电压在理想值。3 s时电力机车开始启动,其功率不断增加,在6 s时达到了30 kW的额定功率值,在此过程中系统其他单元的功率状况保持了恒定,而电网1随着电力机车需求的增加进行功率响应,并网变换器逐渐由逆变状态转换为整流状态。6~9 s电力机车以30 kW的额定功率运行,电网1的功率输出也保持了恒定。9s时光伏1和2的辐照度分别提高为1 000 kW/m²和800 kW/m²,电力机车进入惰行状态,此时功率消耗为0,电网1又一次吸收直流微电网的功率余额。11 s时电力机车开始制动,其制动功率从50 kW逐渐减小,电力机车产生的制动能量回馈到直流微电网中,并根据既定的协调控制策略进行功率分配,从而维持直流母线的稳定。14 s时电力机车停止运行,系统在电网1 的支撑下仍旧保持稳定。通过仿真可以看出,在工作模式2中,直流母线电压在电网1的控制下始终保持在正常范围。

5.4 工作模式3仿真分析

表2 工作模式2下的功率情况 Table 2 Power of working mode 2

图12 工作模式2时的系统运行特性 Fig.12 System characteristics of working mode 2

右,从而完成了模式转换。此后,电力机车负荷开始逐渐增加,10 s时达到了额定功率30 kW,而动力电池充电功率和光伏电源输出功率也在不断地变化。当处于工作模式3时,在系统中负荷和分布式电源变化的过程中,蓄电池在一定范围内通过充放电来平衡系统功率变化,从而维持直流母线电压的稳定。

5.5 工作模式4仿真分析

表3 工作模式3下的功率情况 Table 3 Power of working mode 3

图13 工作模式3时的系统运行特性 Fig.13 System characteristics of working mode 3

表4 工作模式4下的功率情况 Table 4 Power of working mode 4

图14 工作模式4时的系统运行特性 Fig.14 System characteristics of working mode 4

蓄电池平抑系统功率,3 s时电动汽车动力电池消耗的功率变为25 kW,同时电力机车消耗的功率也开始逐步增加,此时蓄电池的放电功率随着系统功率缺额的增大而提高。当到达蓄电池最大功率输出限制值时,其输出功率保持恒定,而电力机车所需的功率依旧不断增加,此时直流母线电压开始下降,并逐渐进入工作模式4的电压层区,系统稳态状态下各单元功率始终满足式(1),直流母线保持恒定,在5.5~6 s时进行切负荷,此时系统功率和直流母线电压出现波动,6 s时系统功率重新处于稳定状态,直流母线维持在680 V。12 s后辐照度增加导致光伏电源1和2的输出增加,直流母线电压开始回升,切除的负荷恢复供电。

6 结论

1）直流牵引供电系统和电动汽车换电站相结合可以增加系统的经济性,而可再生能源以直流微电网的形式为此系统进行供电,提高了系统的低碳性、灵活性和可靠性,另一方面城市综合交通系统为地铁和换电站提供了全新的运营模式,促进了2者的发展。

2）通过加入电压信号同步预处理环节,可以提高系统各运行模式间的切换稳定性,在4种运行模式中,各单元变换器根据切换信号进行控制方法的转变,可以保证系统在各种情况下的功率平衡及直流母线电压的稳定。

3）在对并联光伏电源系统稳态特性和传统下垂控制规律分析的基础上,提出基于自适应虚拟阻抗的改进下垂控制策略,可以根据分布式电源间功率分配的差额,自动调节下垂虚拟阻抗,从而实现功率均分。

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