高铁再生制动能量回收采用什么方案经济性较好？武大学者发布研究成果

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随着我国高铁里程和班次的增多，高铁机车刹车时回馈送到电网的制动功率和能量越来越大。为了充分利用这部分能量，武汉大学电气与自动化学院、兰州交通大学自动化与电气工程学院的研究人员袁佳歆、曲锴、郑先锋、闵永智，在2021年第19期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于超级电容器和锂离子电池的混合储能系统及优化配置方法，旨在获得最大的经济效益。实例验证结果显示，采用混合储能系统部分吸收再生制动能量时经济收益最高，日总成本节省了3%。

近年来高速铁路运输发展迅速，我国高铁里程和班次也逐渐增多。高铁机车的制动方式有机械制动、空气制动和再生制动三种。当机车处于再生制动方式时，三相异步电动机转换为发电机工作，将机车运动的动能转变为电能反馈给牵引网，并呈现出瞬时功率和能量均较大的特点。以CRH380BL型动车组为例，该机车再生制动时产生的最大功率可达8MW，再生制动能量约为列车牵引能量的10%~30%。电网公司对再生制动能量回馈采用倒送不计的收费方式，因此如何有效利用再生制动能量是铁路部门面临的重大实际需求。

目前针对再生制动能量回收利用方法按照再生制动的功率大小和持续时间可分为小功率短时间、小功率长时间、大功率短时间和大功率长时间四种。例如电动汽车的再生制动功率为小功率短时间情况，地铁的再生制动功率主要有小功率短时间和大功率短时间两种情况，而高铁的再生制动包含以上四种情况。

地铁再生制动能量回收的问题研究较多，国内有学者采用超级电容器来回收利用城市轨道交通中的再生制动能量，并对储能系统的控制策略及健康状态进行了研究。然而与地铁相比，高铁的再生制动能量特性在于其功率和能量都大很多，并且由于超级电容器能量密度小，价格昂贵，采用单一的超级电容器来回收高铁再生制动能量所需成本很高。

针对高铁再生制动能量的特点，武汉大学等单位的科研人员采用超级电容器和蓄电池组合成的混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS）来回收。

图1 含混合储能系统的高铁牵引供电系统结构

混合储能系统在电气化交通领域的应用，目前也有广泛的研究。但是，在有关学者的研究中都是给出固定容量的储能系统来回收再生制动能量，未根据再生制动能量的负荷特性对所配置的储能系统容量进行优化。当前面临的主要问题是如何优化配置混合储能系统的容量使得用户收益最大。

针对上述存在的问题，武汉大学等单位的科研人员对仅采用蓄电池、仅采用超级电容器及采用蓄电池和超级电容器组成的混合储能系统三种不同方式进行容量配置，考虑配置的储能系统的投资成本和运行维护成本，比较其经济型。并分别对三种方式下完全回收再生制动能量和部分回收再生制动能量两种场景进行容量配置，选出经济最优的容量配置方案。

图2 混合储能系统能量管理流程

表1 混合储能系统不同回收方式的成本比较

研究人员得出结论如下：

1）采用超级电容器和蓄电池组成的混合储能系统回收高铁再生制动能量具有可行性和有效性。

2）由于高铁再生制动功率和能量都很大，且高铁再生制动能量峰值功率持续时间较短，完全回收再生制动能量所需配置的混合储能系统利用率较低，也无法节省系统总成本。

3）部分回收再生制动能量方式投入的混合储能系统成本只占完全回收再生制动能量方式投入成本的34.9%，但其回收的再生制动能量占总再生制动能量的62.4%。与无储能系统时相比，部分回收再生制动能量方式下日总成本节省了3%。

本文编自2021年第19期《电工技术学报》，论文标题为“高速铁路混合储能系统容量优化研究”，作者为袁佳歆、曲锴 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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