- 頭條基于列車運行狀態的城軌地面混合儲能裝置分時段控制策略2021-04-29 作者：秦強強 張驕 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語城軌交通地面混合儲能裝置兼顧吸收列車剩余再生制動能量與作為備用電源驅動供電故障列車的功能。北京交通大學電氣工程學院、北京市地鐵運營有限公司的研究人員秦強強、張驕、李宇杰、林飛、楊中平，在2019年《電工技術學報》增刊2上撰文，根據城軌交通供電系統實際運行狀況，建立牽引供電系統仿真模型，分析在列車不同發車間隔下牽引網潮流變化情況，并由此提出基于列車運行狀態的城軌地面混合儲能裝置分時段控制策略。研究結果表明，此控制策略能夠有效地提高混合儲能裝置吸收剩余再生制動能量能力，增加電池的使用壽命。
城軌交通具有運量大、人均能耗低、污染少和安全可靠等特點，在近幾年得到了飛速發展。同時越來越多的儲能裝置被安裝到城軌牽引供電系統中，目的是回收列車剩余再生制動能量和抑制直流網壓波動。用于城市軌道交通儲能裝置的儲能元件主要有超級電容（Supercapacitor, SC）、電池（Battery, Bat）和飛輪。
目前電池儲能系統、飛輪儲能系統和超級電容儲能系統在城市軌道交通中 均得到了實際應用，比如在馬德里運行的西門子SITRAS-SES超級電容儲能系統，日本Seishin- Yamate線安裝的鋰電池儲能系統，美國洛杉磯地鐵使用的2MW飛輪儲能裝置等。統籌超級電容與電池兩者特性優勢，研發了混合儲能系統，在充分吸收列車剩余再生制動能量的同時為供電故障列車緊急自牽引提供能量，在國內外軌道交通牽引供電領域也被廣泛關注。
近年來，國內外很多學者對儲能裝置的能量管理策略開展了廣泛而深入的研究。但是這些研究所陳述的能量管理策略并未考慮到城軌列車實際運行過程中發車間隔變化的影響。實際線路中列車會根據乘客出行規律，設定不同的發車間隔。發車間隔不同，線路中同時運行的車輛數就會不同，繼而影響列車間能量交互過程，造成牽引網中剩余再生制動能量變化，采用傳統單一功率分配模式，不能充分發揮混合儲能裝置的最優效果。
北京交通大學電氣工程學院、北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心、北京市地鐵運營有限公司的研究人員，根據列車發車間隔時間表，總結出牽引網剩余再生制動能量變化規律，混合儲能裝置分時段動態選擇不同的功率分配模式，達到穩壓節能效果的同時，減少制動電阻消耗能量與電池充放電容量，提高儲能裝置整體壽命。
圖1 城軌列車供電系統仿真平臺
圖2 仿真模型示意圖
圖3 實驗平臺
研究人員充分考慮列車運行規律與能量流動特點，結合超級電容與鈦酸鋰電池自身特性，提出基于列車運行狀態的城軌地面混合儲能裝置分時段控制策略。
該控制策略在發車間隔較大時因列車剩余再生制動能量與功率較大，采用電池優先響應模式，保證超級電容有足夠容量響應大功率負載，避免制動電阻不必要的啟動；發車間隔較小時因列車剩余再生制動能量與功率較小采用超級電容優先響應模式，減少電池使用容量，以提高電池的使用壽命。研究者利用北京地鐵實際線路參數，通過牽引供電仿真平臺與混合儲能實驗平臺對本文提出的控制策略的有效性進行了仿真與實驗驗證。
模型分析與仿真平臺軟件結果表明，列車在低峰期再生制動能量較大，高峰期再生制動能量較少。提出的分時段控制策略，低峰期電池優先響應，高峰期電容優先響應，相較于傳統單一電容優先響應的工作模式儲能效果提高7.8%，相較于單一電池優先響應策略，電池使用壽命提高了6.3%，整體提高了儲能裝置的經濟效益。后續，將根據該控制策略，對儲能裝置容量配置進行的優化，進一步提高混合儲能系統的性能。
以上研究成果發表在2019年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“基于列車運行狀態的城軌地面混合儲能裝置分時段控制策略”，作者為秦強強、張驕、李宇杰、林飛、楊中平。
