城市軌道交通能量運(yùn)行控制系統(tǒng)

　　摘　要：城市軌道交通和干線鐵路的高速增長(zhǎng)帶來(lái)的能耗、碳排放等問(wèn)題愈發(fā)引起社會(huì)的關(guān)注。為提升城市軌道交通系統(tǒng)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(wǎng)的能量運(yùn)行控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 4G 通信獲取每輛列車的瞬時(shí)功率和位置、牽引供電系統(tǒng)的參數(shù)以及變電站和雙向變流器的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，依此迭代計(jì)算網(wǎng)絡(luò)空間矩陣，完成牽引供電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字重構(gòu)。基于重構(gòu)的牽引供電網(wǎng)絡(luò)，能量運(yùn)行控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)函數(shù)以及系統(tǒng)物理約束，采用智能算法尋優(yōu)牽引變電站直流輸出電壓指令，并下發(fā)給全線路雙向變流器，實(shí)現(xiàn)整條地鐵線路的潮流分配，從而使地鐵牽引電力系統(tǒng)具有更好的供電質(zhì)量和更高的效率。通過(guò)對(duì)采用該能量運(yùn)行控制系統(tǒng)的某城市地鐵 4 號(hào)線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果顯示系統(tǒng)總體效率提升了 0.767%，驗(yàn)證了所提城市軌道交通能量運(yùn)行控制系統(tǒng)的有效性。

　　本文源自李紅波; 張超; 黃子昊; 王雄; 羅文廣; 張志學(xué)， 控制與信息技術(shù) 發(fā)表時(shí)間：2021-06-07

　　關(guān)鍵詞：軌道交通牽引供電;能量運(yùn)行控制;系統(tǒng)節(jié)能;負(fù)荷預(yù)測(cè);運(yùn)行圖優(yōu)化;數(shù)字重構(gòu)

　　0 引言

　　2015 年 12 月獲批的《巴黎協(xié)定》其中心目標(biāo)是將溫度上升限制在比工業(yè)化前水平高 2 ℃以下，并努力將溫度上升限制在比工業(yè)化前水平高 1.5 ℃ [1] 。公路運(yùn)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(yùn)輸 [3] ;然而，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)需要加強(qiáng)運(yùn)輸能力，這將導(dǎo)致溫室氣體排放量上升。針對(duì)減少溫室氣體排放和增加運(yùn)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(qiáng)的運(yùn)輸能力，其重要性日益凸顯 [4] 。

　　現(xiàn)有城市軌道交通電網(wǎng)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(zhuǎn)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(dòng)能量無(wú)法被回收，導(dǎo)致直流母線電壓升高，直接危害列車以及車載電氣設(shè)備安全運(yùn)行。

　　在過(guò)去的幾十年中，軌道交通系統(tǒng)通常通過(guò)配置額外的制動(dòng)電阻器來(lái)耗散多余的再生制動(dòng)能量，以避免直流母線電壓過(guò)沖。城市電氣軌道交通是兆瓦級(jí)系統(tǒng)，再生制動(dòng)能量巨大，所以制動(dòng)電阻產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致地鐵隧道和車站的溫度升高 [6]。制動(dòng)電阻器解決方案不僅浪費(fèi)再生制動(dòng)能量，同時(shí)增加了環(huán)境控制系統(tǒng)的能耗。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，業(yè)界開展了再生制動(dòng)能量回收技術(shù)的研究。再生制動(dòng)能量回收技術(shù)可以分為兩種：一種是通過(guò)能量回饋逆變器將再生制動(dòng)能量回饋至 35 kV 電網(wǎng)，以用于其他負(fù)載，例如電站中的輔助設(shè)備[7];另一種是通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)回收再生制動(dòng)能量[8-9] 。

　　再生制動(dòng)能量回饋逆變器具有兩種運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)線路制動(dòng)能量小于逆變器的容量時(shí)，能量回饋逆變器將所有制動(dòng)能量有效地引入直流母線電壓;當(dāng)制動(dòng)能量大于逆變器的容量時(shí)，能量回饋逆變器將以額定功率作為恒定電源運(yùn)行，盡可能多地回收制動(dòng)能量并抑制直流母線中的過(guò)電壓。但如果能量回饋逆變器的電壓指令設(shè)置不正確，由于相鄰的列車無(wú)法充分吸收該能量，則會(huì)導(dǎo)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(wǎng)，不能被軌道交通系統(tǒng)負(fù)荷利用 [7]。這種復(fù)雜的潮流增加了電網(wǎng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，且較長(zhǎng)的傳輸路徑會(huì)增加功率損耗并降低效率。而能量存儲(chǔ)方案因?yàn)樗兄苿?dòng)能量都被就近存儲(chǔ)，避免了由復(fù)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(dòng)功率和列車起動(dòng)、加速等運(yùn)行狀態(tài)的功率曲線會(huì)呈現(xiàn)高峰值的脈沖形狀。為了使儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，應(yīng)采用超級(jí)電容器或飛輪等功率型儲(chǔ)能元件;但這些低能量密度的存儲(chǔ)元件將增加系統(tǒng)體積和成本 [10]。另外，城軌交通供電系統(tǒng)目前采用電力數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)(power supervisory control and data acquisition，PSCADA)，只對(duì)電網(wǎng)部分狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及界面數(shù)據(jù)、圖形顯示、報(bào)表等簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理 [11]，不具備利用數(shù)據(jù)在線對(duì)整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流優(yōu)化調(diào)度的功能。

　　針對(duì)上述問(wèn)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(yùn)行控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“運(yùn)控系統(tǒng)”)。與傳統(tǒng)軌道交通牽引供電系統(tǒng)不同，本文牽引供電系統(tǒng)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(guò)配置車載和地面 4G 無(wú)線通信模塊(簡(jiǎn)稱“4G 模塊”)，在列車、雙向變流器和能量運(yùn)控系統(tǒng)(ECMS)之間建立通信環(huán)路。能量運(yùn)控系統(tǒng)通過(guò) 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(shù)，對(duì)雙向變流器的輸出電壓指令進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到降低電能傳輸損耗、抑制列車電壓波動(dòng)、降低鋼軌電位的目的。

　　1 牽引供電能量運(yùn)控系統(tǒng)架構(gòu)

　　牽引供電系統(tǒng)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(yùn)控系統(tǒng)(圖 1)。本文所提能量運(yùn)控系統(tǒng)(ECMS)是可逆型智慧地鐵牽引電網(wǎng)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(yùn)控系統(tǒng)內(nèi)部，在變流器和能量運(yùn)控系統(tǒng)之間進(jìn)行相互數(shù)據(jù)通信。出于系統(tǒng)安全性考慮，列車僅向能量運(yùn)控系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)量，但不接收能量運(yùn)控系統(tǒng)指令，因此列車必須按照規(guī)劃的運(yùn)行圖行駛，在地鐵運(yùn)營(yíng)期間無(wú)法通過(guò)能量運(yùn)控系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行圖進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

　　能源運(yùn)控單元是能量運(yùn)控系統(tǒng)的核心，包括服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、4G 通信模塊、監(jiān)視器、鍵盤和其他外圍輸入及輸出設(shè)備，提供數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、數(shù)據(jù)分析以及控制策略制定的功能。根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和系統(tǒng)物理約束條件，能量運(yùn)控系統(tǒng)通過(guò)智能算法確定直流鏈的功率分配，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、穩(wěn)定電壓和優(yōu)化線路質(zhì)量的目標(biāo)。

　　作為物理執(zhí)行單元，雙向變流器跟蹤來(lái)自能量運(yùn)控系統(tǒng)的輸出電壓命令，以完成列車和牽引電源系統(tǒng)之間的實(shí)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(yùn)行位置以及牽引網(wǎng)導(dǎo)線阻抗、鋼軌阻抗等參數(shù)信息通過(guò) 4G 模塊傳輸至能量運(yùn)控系統(tǒng)。根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，能量運(yùn)控系統(tǒng)迭代計(jì)算牽引供電系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣、節(jié)點(diǎn)電壓和節(jié)點(diǎn)電流，以完成實(shí)際牽引供電系統(tǒng)的數(shù)字化重構(gòu)。然后在確保牽引供電系統(tǒng)和列車安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，考慮輸電損耗、交流 110 kV 電網(wǎng)功率因數(shù)以及變電站容量、電網(wǎng)電壓波動(dòng)和鋼軌電位等約束條件，通過(guò)啟發(fā)式算法搜索直流輸出電壓、無(wú)功和有功電流的最優(yōu)指令。另外，能量運(yùn)控系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整牽引網(wǎng)全線雙向變流器的輸出特性，靈活地分配各個(gè)雙向變流器的輸入、輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)臨近故障變電站的能量救援，以確保牽引供電系統(tǒng)的供電可靠性。

　　2 能量運(yùn)控系統(tǒng)工作原理

　　牽引供電能量運(yùn)控系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略有兩個(gè)關(guān)鍵：(1)每個(gè)采樣周期內(nèi)重建真實(shí)的供電網(wǎng)絡(luò);(2)針對(duì)多個(gè)目標(biāo)和約束條件，能量運(yùn)控系統(tǒng)通過(guò)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(tǒng)的數(shù)字重構(gòu)

　　2.1.1 系統(tǒng)建模

　　由于每個(gè)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(tǒng)模型中的電壓源或功率源節(jié)點(diǎn) [14] 。

　　牽引供電網(wǎng)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(gè)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(gè)列車的直流輸入電壓;Rx 表示第 x 個(gè)和第 (x+1) 個(gè)雙向變流器之間傳輸線的阻抗。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，雙向變流器的狀態(tài)函數(shù) 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(dāng)雙向變流器的最大功率大于負(fù)載功率需求時(shí)，將變流器等效為電壓源;而當(dāng)雙向變流器的最大功率小于負(fù)載功率需求時(shí)，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?yàn)樵诠ぷ髦芷趦?nèi)，在逆變模式下，雙向變流器先運(yùn)行 30 s 回收制動(dòng)能量，然后再停止運(yùn)行 90 s;而在整流模式下，雙向變流器連續(xù)輸出功率。

　　近年來(lái)，隨著車載制動(dòng)電阻器的取消，線路上運(yùn)行的列車可被等效為一個(gè)時(shí)變功率源。

　　2.1.2 牽引供電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓和潮流計(jì)算

　　牽引供電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算流程如下：

　　(1)根據(jù)牽引線和鋼軌的阻抗、每列列車的實(shí)時(shí)位置以及每個(gè)變電站的位置來(lái)制定節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，然后設(shè)置每個(gè)雙向變流器和每個(gè)列車的初始電壓值。

　　(2)利用 Picard 算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓，并將其用于更新雙向變流器和列車的狀態(tài)。如果迭代值收斂，則迭代過(guò)程完成;否則，再更新來(lái)自列車的數(shù)據(jù)并修改節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣之后，計(jì)算程序?qū)⑻?Picard 迭代步驟，并重復(fù)之前的步驟。圖 3 示出節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算具體流程。

　　為方便定義節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，圖 4 示出牽引供電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

　　導(dǎo)納矩陣的節(jié)點(diǎn)根據(jù)距地鐵線路始發(fā)站的距離進(jìn)行升序排列。由于列車的移動(dòng)性，通常需要在下一個(gè)采樣周期內(nèi)對(duì)導(dǎo)納矩陣的節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(dǎo)納矩陣中雙向變流器的節(jié)點(diǎn)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(gòu)建節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣 Y： (2) 式中：Yss——雙向變流器之間的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣; Ytt——列車之間的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣;Yst——雙向變流器和列車之間的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣;Yts——列車與雙向變流器之間的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，由于矩陣的對(duì)稱性，因此Yts 和 Yst 相同。

　　以 Yss 為例說(shuō)明計(jì)算過(guò)程。假設(shè)無(wú)列車在地鐵線上行駛，則每個(gè)供電區(qū)間的導(dǎo)納矩陣 Yss 中的牽引線導(dǎo)納(g i T)、鋼軌導(dǎo)納(g i R)和泄露導(dǎo)納(g i X)依次按式 (3) 計(jì)算獲得。 (3) 式中：li——第 i 個(gè)電源部分的長(zhǎng)度;r1, r2——牽引線纜和鋼軌的單位電阻;g0——鋼軌的單位泄漏導(dǎo)納。

　　考慮第 i 個(gè)電源部分中的上行列車的情況，應(yīng)將第 i 個(gè)雙向變流器和第(i + 1)個(gè)雙向變流器對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納修改為 (4) 同樣，如果第 i 個(gè)電源 s 中有一個(gè)下行列車，則 Yss 也可以根據(jù)式 (4) 進(jìn)行修正。Yss 和 Yst 需要根據(jù)每列列車的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行更新。Yss 中的對(duì)角元素可以由 Ytt 和 Yst 獲得，而無(wú)須額外進(jìn)行計(jì)算。

　　在獲得節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣之后，可以通過(guò) Picard 法來(lái)計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓和系統(tǒng)潮流，從而完成牽引供電系統(tǒng)的數(shù)字重構(gòu)。

　　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(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整雙向變流器的直流輸出電壓，在保證整個(gè)地鐵線路正常運(yùn)行的前提下盡可能地降低牽引電網(wǎng)能耗。

　　牽引電網(wǎng)能耗的目標(biāo)函數(shù)如下： (5) 式中：Vi——第 i 個(gè)雙向變流器的直流輸出電壓; Ii——第 i 個(gè)雙向變流器的直流輸出電流;PBC， PBC_rated——雙向變流器的實(shí)時(shí)功率和額定功率;Vtrain——列車電壓;Vsteel_rail——節(jié)點(diǎn)軌電位;n——地鐵線路中變電站的總數(shù)。

　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN50122-1:1998《鐵路應(yīng)用——地面裝置》，軌電位不得高于 110 V。另外，制動(dòng)工況下，當(dāng) Vtrain>1 900 V 時(shí)，列車將啟動(dòng)閘瓦制動(dòng)，以減少再生制動(dòng)能量，阻止電壓繼續(xù)升高;但此時(shí)，列車制動(dòng)能量將被轉(zhuǎn)化為熱能耗散到空氣中，造成能量浪費(fèi)。因此在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中，增加列車電壓不超過(guò) 1 900 V 的約束。

　　在滿足列車正常運(yùn)行需求的前提下，可以通過(guò)減少電能傳輸損耗和提高再生制動(dòng)能量在牽引列車和制動(dòng)列車之間充分循環(huán)利用率來(lái)降低整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的能耗。這兩種方式都可以通過(guò)調(diào)整每個(gè)雙向變流器的直流輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　基于牽引供電系統(tǒng)的數(shù)字重構(gòu)和目標(biāo)函數(shù)可以通過(guò)遺傳算法來(lái)求解每個(gè)雙向變流器最優(yōu)直流輸出電壓。圖 5 示出最優(yōu)解的可行區(qū)域。最優(yōu)解的搜索軌跡隨機(jī)分布在陰影區(qū)域。當(dāng)雙向變流器的直流輸出電壓低于 Vth_T 時(shí)，雙向變流器被切換到整流模式以向列車提供牽引功率。當(dāng)直流輸出電壓高于 Vth_T 時(shí)，雙向變流器運(yùn)行在逆變模式，將制動(dòng)能量回饋至 35 kV 交流電網(wǎng)。若電流在 (-Inlc, Inlc) 區(qū)間時(shí)，則說(shuō)明在由相鄰的兩雙向變流器供電的區(qū)間內(nèi)無(wú)列車運(yùn)行。在這種情況下，采用下垂控制來(lái)抑制相鄰雙向變流器間的環(huán)流，以降低雙向變流器的空載損耗。雙向變流器達(dá)到其峰值功率時(shí)，將轉(zhuǎn)換至恒功率源模式。

　　3 仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證能量管理策略能的有效性，通過(guò)仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用第 2 節(jié)的模型及能量管理策略，對(duì)牽引電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)重構(gòu)，優(yōu)化并控制雙向變流器輸出電壓，實(shí)現(xiàn)線路運(yùn)行車輛再生制動(dòng)能量合理分配利用。

　　3.1 系統(tǒng)仿真

　　基于某中部城市地鐵 2 號(hào)線線路阻抗參數(shù)，對(duì)本文所提能量運(yùn)控系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)如表 1 所示。該地鐵 2 號(hào)線所有牽引變電站均配置雙向變流器，上下行共有 8 個(gè)牽引變電站和 9 輛列車。列車的運(yùn)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(fù)功率值表示列車回饋再生制動(dòng)能量。

　　表 2 示出有無(wú)能量運(yùn)控系統(tǒng)牽引電網(wǎng)全線能耗對(duì)比數(shù)據(jù)。無(wú)能量運(yùn)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，每個(gè)雙向變流器的直流輸出電壓固定為 1 800 V;增加能量運(yùn)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，每個(gè)雙向變流器的直流輸出電壓在 1 750 V 至 1 850 V 的范圍內(nèi)變化。能量運(yùn)控系統(tǒng)的目標(biāo)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(dòng)能量。由表 2 可知，經(jīng)能量運(yùn)控系統(tǒng)優(yōu)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(shí)向 35 kV 電網(wǎng)回饋的再生制動(dòng)能量由 603.561 kWh 減少至 456.11 kWh。全線牽引電網(wǎng)總能耗由 1 170.35 kWh 減少至 1 165.25 kWh，系統(tǒng)總能耗降低了 0.436%。

　　3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

　　本文所提能量運(yùn)控系統(tǒng)在某城市地鐵 4 號(hào)線進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。由于受到地鐵運(yùn)營(yíng)的限制，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取了 4 個(gè)牽引變電站、2 列車進(jìn)行測(cè)試。4 個(gè)牽引變電站的總長(zhǎng)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(shù)據(jù)采樣周期為 100 ms。

　　目前國(guó)內(nèi)還沒有全線配置雙向變流器的地鐵線路，因此在試驗(yàn)中牽引供電系統(tǒng)仍包含 24 脈波整流器。為了驗(yàn)證本文所提的優(yōu)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(yàn)和仿真條件存在差異，但是能夠基于不同的運(yùn)行工況去驗(yàn)證本文所提能量運(yùn)控系統(tǒng)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(wǎng)重載情況下不能滿足列車的功率需求，因此牽引網(wǎng)電壓會(huì)降低，使得 24 脈波整流器導(dǎo)通，進(jìn)而補(bǔ)充列車所需功率差額。

　　圖 8 示出列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。由圖可知，列車的最大牽引電流在 12:17:05 時(shí)刻達(dá)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(yùn)控系統(tǒng)優(yōu)化前后牽引電網(wǎng)能耗對(duì)比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù) 42 min。通過(guò)能量運(yùn)控系統(tǒng)優(yōu)化后，4 個(gè)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(dòng)列車和牽引列車之間的循環(huán)能量從 10.76 kWh 增加到 80.01 kWh。 35 kV 交流電網(wǎng)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(yùn)控系統(tǒng)的情況下為 1 057.35 kWh，而在有能量運(yùn)控系統(tǒng)的情況下為 974.67 kWh。差異是由對(duì)比實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)駕駛員的駕駛習(xí)慣和環(huán)境溫度不同造成的。考慮以上因素，通過(guò)能量運(yùn)控系統(tǒng)優(yōu)化后，交流電網(wǎng)的總能耗降低了 0.767%。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文提出了一種基于雙向變流器的地鐵牽引供電網(wǎng)能量運(yùn)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無(wú)線 4G 模塊實(shí)現(xiàn)與列車、雙向變流器的數(shù)據(jù)交互。首先，通過(guò) 4G 模塊采集雙向變流器的電壓 / 電流和位置信息、列車的實(shí)時(shí)位置和功率以及牽引網(wǎng)導(dǎo)線和鋼軌的阻抗數(shù)據(jù)后，能量運(yùn)控系統(tǒng)用 Picard 法迭代計(jì)算導(dǎo)納矩陣、節(jié)點(diǎn)電壓和節(jié)點(diǎn)電流以實(shí)現(xiàn)牽引供電網(wǎng)的數(shù)字重構(gòu);然后，利用遺傳算法，綜合考慮傳輸損耗、功率因數(shù)、變電站容量、電網(wǎng)電壓波動(dòng)和軌電位等約束條件，優(yōu)化每個(gè)雙向變流器的直流輸出電壓指令;雙向變流器跟蹤能量運(yùn)控系統(tǒng)下發(fā)的指令，以提高再生制動(dòng)能量回收的利用效率，提高牽引供電系統(tǒng)的效率，并在多個(gè)變電站之間靈活地進(jìn)行能量分配。

　　由某城市地鐵線實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所提能量運(yùn)控系統(tǒng)可以有效提列車對(duì)再生制動(dòng)能量的利用率，降低牽引電網(wǎng)總體能耗 0.767%。下一步工作將重點(diǎn)研究數(shù)據(jù)傳輸延遲對(duì)系統(tǒng)節(jié)能和穩(wěn)定性的影響以及系統(tǒng)故障處理技術(shù)。