西南交通大学科研人员提出电气化铁路混合储能系统的控制新策略

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随着电气化铁路运营里程的不断增加，能耗问题也日益加重。为电气化铁路加装混合储能系统可以有效地回收列车再生制动能量，实现电气化铁路的节能运行。混合储能系统在采用滤波能量管理策略时，其内部会出现不同储能介质间的能量交换问题。对此，西南交通大学电气工程学院的研究人员耿安琪、胡海涛、张育维、陈俊宇、葛银波，在2021年第23期《电工技术学报》上撰文，提出了一种基于阶梯能量管理的电气化铁路混合储能系统控制策略。

交流电气化铁路为电力系统最大单体负荷，我国铁路的总耗电量在全国铁路营业里程不断增长的背景之下，也在不断增加。因此，如何采取有效措施实现电气化铁路的节能降耗是我国铁路发展亟须解决的问题。对列车再生制动能量进行回收利用，可以使电气化铁路的能耗问题得到明显改善。目前电气化铁路再生制动能量利用方式主要包括能耗型、能馈型和储能型。

其中，储能型再生制动能量利用系统具备削峰填谷、稳定牵引网电压、电能质量治理、缓解负序等功能，得到了广泛关注。针对储能型再生制动能量利用系统，已有文献主要研究了储能系统的拓扑结构、控制算法、容量设计以及最优运行等。然而，现有研究多针对单一储能介质，对于某些特殊线路（如长大坡道线路），其再生制动功率高、再生制动能量丰富，采用单一介质的储能系统难以满足电气化铁路的负荷特性。

近年来，由两种或两种以上储能介质所构成的混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS）成为国内外学者研究的热点，其中，锂电池和超级电容器在性能上具有很强的互补性，被大量地使用在混合储能系统中。目前，混合储能系统已在微电网、城市轨道交通和电动汽车等领域得到广泛的运用，但其在电气化铁路中的应用研究却相对较少。

为充分发挥混合储能系统在电气化铁路中的优势，就必须针对电气化铁路制定经济高效的能量管理策略。功率指令的实时分配是混合储能系统能量管理中的首要问题，现有的功率分配方式主要有：基于滤波的分配策略、模糊控制策略和模型预测控制策略等。由于滤波分配方式结构较为简单，实现起来较为容易，得到了广泛应用。

相关学者研究了基于滤波分配的控制策略，但均未考虑滤波器延迟引起的混合储能系统内部能量交换问题。不同储能介质间的能量交换对于混合储能系统吸收和释放能量没有实际的意义，还会让储能介质产生不必要的动作，进而对其使用寿命造成一定的影响。

为避免不同储能介质间的能量交换，西南交通大学电气工程学院的研究人员提出一种基于阶梯能量管理的控制策略，通过抑制这种能量交换来提高系统的再生制动能量利用率，并且该策略能够充分发挥锂电池能量密度高、超级电容器响应速度快的优势。为补偿锂电池参考功率变化引起的功率跟踪误差，加入超级电容器补偿环节来提升混合储能系统的动态性能。所提出的控制策略在RT-Lab OP5700实时仿真机中进行了仿真验证，并结合某牵引变电所的实测数据进行了算例分析，结果验证了本方法的有效性和可行性。

图1 电气化铁路混合储能系统

图2 系统工作原理

他们得出如下结论：

1）提出的控制策略能够有效地保证各个储能介质始终在各自的SOC健康区域内工作，并让锂电池承担负荷中能量大的部分，让超级电容器承担负荷中变化较快的部分，从而有效地发挥不同储能介质的优势。

2）通过超级电容器的快速响应特性来补偿锂电池在运行过程中出现的功率跟踪误差，能够有效地抑制直流母线电压波动，提高混合储能系统的动态性能，从而保证系统的可靠运行。

3）在不改变锂电池日循环寿命的前提下，本文提出的阶梯能量管理策略相对于滤波策略可有效地抑制不同储能介质间的能量交换，并提高混合储能系统的再生制动能量利用率，使日节电量进一步增加。

4）加入储能系统后，牵引变电所左、右供电臂的再生能量被有效地吸收，牵引功率也有明显的减少。因此，电气化铁路混合储能系统可以对再生制动能量进行有效的回收并利用，实现了电气化铁路的节能降耗。

研究人员最后指出，混合储能系统在电气化铁路中的应用依赖于实际线路情况，本次主要研究了混合储能系统在电气化铁路中的控制策略，以及提升混合储能系统再生制动能量利用率的方法，对该系统的参数优化以及结合变电所/分区所实际情况的经济性评估将是下一步的研究方向。

本文编自2021年第23期《电工技术学报》，论文标题为“基于阶梯能量管理的电气化铁路混合储能系统控制策略”，作者为耿安琪、胡海涛 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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