改进的能量管理策略，减轻了有轨电车储能系统的重量

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联合主办

中国电工技术学会

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室

联合承办

中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会

国家高速列车技术创新中心

《电气技术》杂志社

会议日期/地点

2019年10月25-27日/山东青岛

摘要

北京交通大学电气工程学院的研究人员王玙、杨中平、李峰、安星锟、林飞，在2019年第8期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“有轨电车混合动力系统能量交互型管理策略与容量配置协同优化研究”）指出，能量管理策略和容量配置是有轨电车混合储能动力系统设计的关键环节，其结果直接影响有轨电车的运行性能和经济效益。

本文提出一种改进后带有能量交互状态的能量管理策略，根据实际车辆与线路要求，以重量最轻为优化目标进行容量配置优化，对比说明改进策略中电池与超级电容能量交互的优越性，并在实验平台上进行验证。仿真和实验表明，改进后的能量管理策略减轻了储能系统的重量，使储能系统在极端情况下能够正常运行。

现代有轨电车作为一种新兴的交通工具，具有客运量大、环保节能、造价相对低廉等优点，适合在中等城市推广使用。近年来，随着清洁能源政策的推行以及对交通运输工具安全性、美观性的需求，储能式有轨电车开始出现并被广泛地研究。

储能式有轨电车在运行过程中需同时满足大功率和较高的能耗需求，储能元件中，虽然电池能量密度较大，但功率密度相对较小；超级电容有较高的功率密度，但能量密度相对较小。为提升有轨电车的动力性能，以电池和超级电容混合储能作为有轨电车的动力系统，已成为热门研究方向。

能量管理策略决定了有轨电车混合储能系统的工作性能，合适的能量管理策略不仅能使有轨电车安全平稳地运行，而且能够减少电损耗，降低运营成本。

能量管理策略根据实时性分为在线策略和离线策略两种。常用的在线能量管理策略有基于规则的固定阈值管理策略、滤波功率分配策略和基于模糊控制规则的能量管理策略等，这些策略的特点是规则简单、易于实现，但动态性差，不能根据需求随时调整，且规则需要基于一定的经验来制定；离线策略如基于动态规划的能量管理策略，虽然可以得到全局最优解，但是使用时限制较多，难以在实际运行中应用。

电池与超级电容的容量配置与能量管理策略相互影响又相互制约。容量配置方案决定了储能系统的能量配比和系统的总体质量，对有轨电车的经济性等有决定性影响。

本文在按固定比例分配功率的能量管理策略基础上进行了改进，加入了电池主动状态下储能系统间的能量交互，在改进策略的基础上对储能系统的容量配置进行协同优化，并通过实验对比证明了改进后能量管理策略的优越性。

本文首先介绍了混合储能系统的构成及改进的能量管理策略；然后描述了在该能量管理策略下与容量配置进行协同优化的详细过程；最后基于有轨电车线路进行实际功率分配与容量配置，在实验平台上进行了小功率验证。

图7  90kW混合储能系统实验平台

结论

本文针对有轨电车的电池-超级电容混合储能系统提出了改进后的能量管理策略，进行了容量配置协同优化，并实验验证了该能量管理策略的优越性。对有轨电车混合储能系统的在线能量管理策略进行了分析并加以改进，加入电池主动状态中电池与超级电容的能量交互，并根据实际线路要求，基于改进后的能量管理策略完成了容量的优化配置，验证了该能量管理策略在容量配置上的优势，即减轻系统重量，降低初始成本。随后在容量配置不变的实验平台上对普通策略和改进策略进行对比实验，进一步验证改进后能量管理策略的优越性。

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