地鐵具有運(yùn)量大、速度快、安全準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)城市軌道交通發(fā)展起到越來越重要的作用。將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝于地鐵供電系統(tǒng)，可以有效回收列車再生制動(dòng)能量和抑制直流網(wǎng)電壓波動(dòng)。

目前，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在城軌交通上已得到實(shí)際應(yīng)用，如日本東武鐵道、古町線、名古屋鐵路、湖西線北陸本線、鹿兒島谷山線、神戶市西神-山手線、青梅線、東武野田線；韓國地鐵5號(hào)線；意大利米蘭地鐵3號(hào)線、羅馬火車站-機(jī)場(chǎng)線；美國費(fèi)城等。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城軌交通電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量管理和容量配置等方面展開了廣泛深入的研究。

文獻(xiàn)[5-7]研究了地面式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略。

• 其中文獻(xiàn)[5]采用固定充放電閾值策略，為了防止多次充放電不平衡導(dǎo)致電池過充或過放，在儲(chǔ)能系統(tǒng)待機(jī)期間進(jìn)行小電流充/放電，調(diào)整電池荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC），將其維持在某一值附近，但這種不必要的充放電會(huì)加速電池壽命衰減；
• 考慮電池的壽命，文獻(xiàn)[6]提出動(dòng)態(tài)閾值策略，根據(jù)電池的SOC調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電閾值（V-SOC控制），將電池SOC控制在某一范圍；
• 文獻(xiàn)[7]中，通過分析電池的充電特性，提出了一種最大功率點(diǎn)跟蹤的控制策略（I-SOC控制），根據(jù)電池SOC調(diào)整電池的最大放電電流，使電池SOC維持在最大功率點(diǎn)附近，在相同的容量配置下，可增大儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能效果。

對(duì)于如何確定電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在城軌交通供電系統(tǒng)安裝的位置及其容量，即容量配置優(yōu)化問題，也有學(xué)者做了相應(yīng)研究，文獻(xiàn)[8-9]根據(jù)離線測(cè)得的城軌交通變電所的日負(fù)荷曲線，在實(shí)現(xiàn)削峰填谷的前提下，以經(jīng)濟(jì)效率為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化。

然而上述研究依然存在一些不足。

• 一是未能充分考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，與超級(jí)電容等功率型元件不同，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)除了可以回收剩余再生制動(dòng)能量之外，其高能量密度使其在長(zhǎng)供電區(qū)間或發(fā)車密度較高時(shí)還可以為列車提供牽引能量，改善供電網(wǎng)電壓跌落明顯的問題，降低牽引變電所的設(shè)計(jì)容量。
• 二是儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略和容量配置優(yōu)化方案是相互影響的，在不同的能量管理策略下，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)的容量配置方案是不同的，同時(shí)優(yōu)化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略和容量配置方案，正是本文的研究重點(diǎn)。

本文首先建立了包含列車和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的城軌交通供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)，結(jié)合城軌交通負(fù)載特性和電池高能量密度特性，提出基于能量轉(zhuǎn)移的改進(jìn)能量管理策略。最后采用智能優(yōu)化算法以及結(jié)合搭建的地鐵供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)，同時(shí)優(yōu)化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略控制參數(shù)和容量配置方案。

圖1 直流供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)

結(jié)論

本文首先建立了包含列車和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的城軌交通供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)，綜合考慮城軌交通負(fù)載特性和電池的高能量密度特性，提出了基于能量轉(zhuǎn)移的放電閾值動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，減小了變電站峰值功率，降低建設(shè)成本。綜合電池實(shí)際運(yùn)行特性，考慮放電深度對(duì)電池使用壽命的影響，建立了電池壽命預(yù)測(cè)模型，用于評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率。

最后以經(jīng)濟(jì)效率和峰值功率減小率為目標(biāo)函數(shù)，提出了基于遺傳算法的可同時(shí)優(yōu)化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略參數(shù)和容量配置方案的方法，最后利用實(shí)際線路數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，為改善城軌列車制動(dòng)能量回收和提高供電能力提供了支持。