- 頭條高鐵再生制動能量回收采用什么方案經濟性較好？武大學者發布成果2022-04-16 作者：袁佳歆、曲鍇 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語隨著我國高鐵里程和班次的增多，高鐵機車剎車時回饋送到電網的制動功率和能量越來越大。為了充分利用這部分能量，武漢大學電氣與自動化學院、蘭州交通大學自動化與電氣工程學院的研究人員袁佳歆、曲鍇、鄭先鋒、閔永智，在2021年第19期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于超級電容器和鋰離子電池的混合儲能系統及優化配置方法，旨在獲得最大的經濟效益。實例驗證結果顯示，采用混合儲能系統部分吸收再生制動能量時經濟收益最高，日總成本節省了3%。
近年來高速鐵路運輸發展迅速，我國高鐵里程和班次也逐漸增多。高鐵機車的制動方式有機械制動、空氣制動和再生制動三種。當機車處于再生制動方式時，三相異步電動機轉換為發電機工作，將機車運動的動能轉變為電能反饋給牽引網，并呈現出瞬時功率和能量均較大的特點。以CRH380BL型動車組為例，該機車再生制動時產生的最大功率可達8MW，再生制動能量約為列車牽引能量的10%~30%。電網公司對再生制動能量回饋采用倒送不計的收費方式，因此如何有效利用再生制動能量是鐵路部門面臨的重大實際需求。
目前針對再生制動能量回收利用方法按照再生制動的功率大小和持續時間可分為小功率短時間、小功率長時間、大功率短時間和大功率長時間四種。例如電動汽車的再生制動功率為小功率短時間情況，地鐵的再生制動功率主要有小功率短時間和大功率短時間兩種情況，而高鐵的再生制動包含以上四種情況。
地鐵再生制動能量回收的問題研究較多，國內有學者采用超級電容器來回收利用城市軌道交通中的再生制動能量，并對儲能系統的控制策略及健康狀態進行了研究。然而與地鐵相比，高鐵的再生制動能量特性在于其功率和能量都大很多，并且由于超級電容器能量密度小，價格昂貴，采用單一的超級電容器來回收高鐵再生制動能量所需成本很高。
針對高鐵再生制動能量的特點，武漢大學等單位的科研人員采用超級電容器和蓄電池組合成的混合儲能系統（Hybrid Energy Storage System, HESS）來回收。
圖1 含混合儲能系統的高鐵牽引供電系統
混合儲能系統在電氣化交通領域的應用，目前也有廣泛的研究。但是，在有關學者的研究中都是給出固定容量的儲能系統來回收再生制動能量，未根據再生制動能量的負荷特性對所配置的儲能系統容量進行優化。當前面臨的主要問題是如何優化配置混合儲能系統的容量使得用戶收益最大。
針對上述存在的問題，武漢大學等單位的科研人員對僅采用蓄電池、僅采用超級電容器及采用蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統三種不同方式進行容量配置，考慮配置的儲能系統的投資成本和運行維護成本，比較其經濟型。并分別對三種方式下完全回收再生制動能量和部分回收再生制動能量兩種場景進行容量配置，選出經濟最優的容量配置方案。
圖2 混合儲能系統能量管理流程
表1 混合儲能系統不同回收方式的成本
研究人員得出的結論如下：
1）采用超級電容器和蓄電池組成的混合儲能系統回收高鐵再生制動能量具有可行性和有效性。
2）由于高鐵再生制動功率和能量都很大，且高鐵再生制動能量峰值功率持續時間較短，完全回收再生制動能量所需配置的混合儲能系統利用率較低，也無法節省系統總成本。
3）部分回收再生制動能量方式投入的混合儲能系統成本只占完全回收再生制動能量方式投入成本的34.9%，但其回收的再生制動能量占總再生制動能量的62.4%。與無儲能系統時相比，部分回收再生制動能量方式下日總成本節省了3%。
本文編自2021年第19期《電工技術學報》，論文標題為“高速鐵路混合儲能系統容量優化研究”，作者為袁佳歆、曲鍇 等。
