中國儲能網(wǎng)訊：隨著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(tǒng)可以有效地回收列車再生制動能量，實現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能運行?；旌蟽δ芟到y(tǒng)在采用濾波能量管理策略時，其內(nèi)部會出現(xiàn)不同儲能介質(zhì)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，提出了一種基于階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲能系統(tǒng)控制策略。
交流電氣化鐵路為電力系統(tǒng)最大單體負荷，我國鐵路的總耗電量在全國鐵路營業(yè)里程不斷增長的背景之下，也在不斷增加。因此，如何采取有效措施實現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能降耗是我國鐵路發(fā)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(tǒng)具備削峰填谷、穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓、電能質(zhì)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(tǒng)，已有文獻主要研究了儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、控制算法、容量設計以及最優(yōu)運行等。然而，現(xiàn)有研究多針對單一儲能介質(zhì)，對于某些特殊線路（如長大坡道線路），其再生制動功率高、再生制動能量豐富，采用單一介質(zhì)的儲能系統(tǒng)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(zhì)所構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）成為國內(nèi)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(tǒng)中。目前，混合儲能系統(tǒng)已在微電網(wǎng)、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(fā)揮混合儲能系統(tǒng)在電氣化鐵路中的優(yōu)勢，就必須針對電氣化鐵路制定經(jīng)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(tǒng)能量管理中的首要問題，現(xiàn)有的功率分配方式主要有：基于濾波的分配策略、模糊控制策略和模型預測控制策略等。由于濾波分配方式結(jié)構(gòu)較為簡單，實現(xiàn)起來較為容易，得到了廣泛應用。
相關學者研究了基于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(tǒng)內(nèi)部能量交換問題。不同儲能介質(zhì)間的能量交換對于混合儲能系統(tǒng)吸收和釋放能量沒有實際的意義，還會讓儲能介質(zhì)產(chǎn)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(zhì)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于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(tǒng)的再生制動能量利用率，并且該策略能夠充分發(fā)揮鋰電池能量密度高、超級電容器響應速度快的優(yōu)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(huán)節(jié)來提升混合儲能系統(tǒng)的動態(tài)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，并結(jié)合某牽引變電所的實測數(shù)據(jù)進行了算例分析，結(jié)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(tǒng)
圖2 系統(tǒng)工作原理
他們得出以下結(jié)論：
1）提出的控制策略能夠有效地保證各個儲能介質(zhì)始終在各自的SOC健康區(qū)域內(nèi)工作，并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(fā)揮不同儲能介質(zhì)的優(yōu)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(xiàn)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(tǒng)的動態(tài)性能，從而保證系統(tǒng)的可靠運行。
3）在不改變鋰電池日循環(huán)壽命的前提下，本文提出的階梯能量管理策略相對于濾波策略可有效地抑制不同儲能介質(zhì)間的能量交換，并提高混合儲能系統(tǒng)的再生制動能量利用率，使日節(jié)電量進一步增加。
4）加入儲能系統(tǒng)后，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(tǒng)可以對再生制動能量進行有效的回收并利用，實現(xiàn)了電氣化鐵路的節(jié)能降耗。
研究人員最后指出，混合儲能系統(tǒng)在電氣化鐵路中的應用依賴于實際線路情況，本次主要研究了混合儲能系統(tǒng)在電氣化鐵路中的控制策略，以及提升混合儲能系統(tǒng)再生制動能量利用率的方法，對該系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化以及結(jié)合變電所/分區(qū)所實際情況的經(jīng)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“基于階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲能系統(tǒng)控制策略”，作者為耿安琪、胡海濤 等。
