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交流電氣化鐵路為電力系統(tǒng)最大單體負(fù)荷，我國(guó)鐵路的總耗電量在全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程不斷增長(zhǎng)的背景之下，也在不斷增加。因此，如何采取有效措施實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能降耗是我國(guó)鐵路發(fā)展亟須解決的問題。對(duì)列車再生制動(dòng)能量進(jìn)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(dòng)能量利用方式主要包括能耗型、能饋型和儲(chǔ)能型。

其中，儲(chǔ)能型再生制動(dòng)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(fù)序等功能，得到了廣泛關(guān)注。針對(duì)儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)，已有文獻(xiàn)主要研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制算法、容量設(shè)計(jì)以及最優(yōu)運(yùn)行方案等。然而，現(xiàn)有研究多針對(duì)單一儲(chǔ)能介質(zhì)，對(duì)于某些特殊線路（如長(zhǎng)大坡道線路），其再生制動(dòng)功率高、再生制動(dòng)能量豐富，采用單一介質(zhì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)難以滿足電氣化鐵路的負(fù)荷特性。

近年來，由兩種或兩種以上儲(chǔ)能介質(zhì)所構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其中，鋰電池和超級(jí)電容器在性能上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，被大量地使用在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中。目前，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)已在微電網(wǎng)、城市軌道交通和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用，但其在電氣化鐵路中的應(yīng)用研究卻相對(duì)較少。

為充分發(fā)揮混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在電氣化鐵路中的優(yōu)勢(shì)，就必須針對(duì)電氣化鐵路制定經(jīng)濟(jì)高效的能量管理策略。功率指令的實(shí)時(shí)分配是混合儲(chǔ)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(yù)測(cè)控制策略等。由于濾波分配方式結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來較為容易，得到了廣泛的應(yīng)用。

相關(guān)學(xué)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(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部能量交換問題。不同儲(chǔ)能介質(zhì)間的能量交換對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收和釋放能量沒有實(shí)際的意義，還會(huì)讓儲(chǔ)能介質(zhì)產(chǎn)生不必要的動(dòng)作，進(jìn)而對(duì)其使用壽命造成一定的影響。

為避免不同儲(chǔ)能介質(zhì)間的能量交換，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)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(dòng)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(jí)電容器響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)。為補(bǔ)償鋰電池參考功率變化引起的功率跟蹤誤差，加入超級(jí)電容器補(bǔ)償環(huán)節(jié)來提升混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。所提出的控制策略在RT-Lab OP5700實(shí)時(shí)仿真機(jī)中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并結(jié)合某牽引變電所的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了算例分析，結(jié)果驗(yàn)證了本方法的有效性和可行性。

圖1 電氣化鐵路混合儲(chǔ)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(gè)儲(chǔ)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(dān)負(fù)荷中能量大的部分，讓超級(jí)電容器承擔(dān)負(fù)荷中變化較快的部分，從而有效地發(fā)揮不同儲(chǔ)能介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。

2）通過超級(jí)電容器的快速響應(yīng)特性來補(bǔ)償鋰電池在運(yùn)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(dòng)，提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，從而保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)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(duì)于濾波策略可有效地抑制不同儲(chǔ)能介質(zhì)間的能量交換，并提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的再生制動(dòng)能量利用率，使日節(jié)電量進(jìn)一步增加。

4）加入儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)可以對(duì)再生制動(dòng)能量進(jìn)行有效地回收并利用，實(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)在電氣化鐵路中的應(yīng)用依賴于實(shí)際線路情況，本次主要研究了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在電氣化鐵路中的控制策略，以及提升混合儲(chǔ)能系統(tǒng)再生制動(dòng)能量利用率的方法，對(duì)該系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化以及結(jié)合變電所/分區(qū)所實(shí)際情況的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估將是下一步的研究方向。

本文編自2021年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略”，作者為耿安琪、胡海濤 等。