西南交通大學科研人員提出電氣化鐵路混合儲能系統的控制新策略

隨着電氣化鐵路運營里程的不斷增加，能耗問題也日益加重。為電氣化鐵路加裝混合儲能系統可以有效地回收列車再生制動能量，實現電氣化鐵路的節能運行。混合儲能系統在採用濾波能量管理策略時，其內部會出現不同儲能介質間的能量交換問題。對此，西南交通大學電氣工程學院的研究人員耿安琪、胡海濤、張育維、陳俊宇、葛銀波，在2021年第23期《電工技術學報》上撰文，提出了一種基於階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲能系統控制策略。

交流電氣化鐵路為電力系統最大單體負荷，我國鐵路的總耗電量在全國鐵路營業里程不斷增長的背景之下，也在不斷增加。因此，如何採取有效措施實現電氣化鐵路的節能降耗是我國鐵路發展亟須解決的問題。對列車再生制動能量進行回收利用，可以使電氣化鐵路的能耗問題得到明顯改善。目前電氣化鐵路再生制動能量利用方式主要包括能耗型、能饋型和儲能型。

其中，儲能型再生制動能量利用系統具備削峰填谷、穩定牽引網電壓、電能質量治理、緩解負序等功能，得到了廣泛關注。針對儲能型再生制動能量利用系統，已有文獻主要研究了儲能系統的拓撲結構、控制算法、容量設計以及最優運行方案等。然而，現有研究多針對單一儲能介質，對於某些特殊線路（如長大坡道線路），其再生制動功率高、再生制動能量豐富，採用單一介質的儲能系統難以滿足電氣化鐵路的負荷特性。

近年來，由兩種或兩種以上儲能介質所構成的混合儲能系統（Hybrid Energy Storage System, HESS）成為國內外學者研究的熱點，其中，鋰電池和超級電容器在性能上具有很強的互補性，被大量地使用在混合儲能系統中。目前，混合儲能系統已在微電網、城市軌道交通和電動汽車等領域得到廣泛的運用，但其在電氣化鐵路中的應用研究卻相對較少。

為充分發揮混合儲能系統在電氣化鐵路中的優勢，就必須針對電氣化鐵路制定經濟高效的能量管理策略。功率指令的實時分配是混合儲能系統能量管理中的首要問題，現有的功率分配方式主要有：基於濾波的分配策略、模糊控制策略和模型預測控制策略等。由於濾波分配方式結構較為簡單，實現起來較為容易，得到了廣泛的應用。

相關學者研究了基於濾波分配的控制策略，但均未考慮濾波器延遲引起的混合儲能系統內部能量交換問題。不同儲能介質間的能量交換對於混合儲能系統吸收和釋放能量沒有實際的意義，還會讓儲能介質產生不必要的動作，進而對其使用壽命造成一定的影響。

為避免不同儲能介質間的能量交換，西南交通大學電氣工程學院的研究人員提出一種基於階梯能量管理的控制策略，通過抑制這種能量交換來提高系統的再生制動能量利用率，並且該策略能夠充分發揮鋰電池能量密度高、超級電容器響應速度快的優勢。為補償鋰電池參考功率變化引起的功率跟蹤誤差，加入超級電容器補償環節來提升混合儲能系統的動態性能。所提出的控制策略在RT-Lab OP5700實時仿真機中進行了仿真驗證，並結合某牽引變電所的實測數據進行了算例分析，結果驗證了本方法的有效性和可行性。

圖1 電氣化鐵路混合儲能系統

圖2 系統工作原理

他們得出以下結論：

1）提出的控制策略能夠有效地保證各個儲能介質始終在各自的SOC健康區域內工作，並讓鋰電池承擔負荷中能量大的部分，讓超級電容器承擔負荷中變化較快的部分，從而有效地發揮不同儲能介質的優勢。

2）通過超級電容器的快速響應特性來補償鋰電池在運行過程中出現的功率跟蹤誤差，能夠有效地抑制直流母線電壓波動，提高混合儲能系統的動態性能，從而保證系統的可靠運行。

3）在不改變鋰電池日循環壽命的前提下，本文提出的階梯能量管理策略相對於濾波策略可有效地抑制不同儲能介質間的能量交換，並提高混合儲能系統的再生制動能量利用率，使日節電量進一步增加。

4）加入儲能系統後，牽引變電所左、右供電臂的再生能量被有效地吸收，牽引功率也有明顯的減少。因此，電氣化鐵路混合儲能系統可以對再生制動能量進行有效地回收並利用，實現了電氣化鐵路的節能降耗。

研究人員最後指出，混合儲能系統在電氣化鐵路中的應用依賴於實際線路情況，本次主要研究了混合儲能系統在電氣化鐵路中的控制策略，以及提升混合儲能系統再生制動能量利用率的方法，對該系統的參數優化以及結合變電所/分區所實際情況的經濟性評估將是下一步的研究方向。

本文編自2021年第23期《電工技術學報》，論文標題為「基於階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲能系統控制策略」，作者為耿安琪、胡海濤 等。