- 頭條北京交通大學楊林實驗室團隊提出城軌混合儲能系統的容量配置方法2022-04-07 作者：劉宇嫣、楊中平 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語采用地面式超級電容/電池混合儲能系統能有效提升城軌牽引供電系統中再生制動能量的利用。針對傳統固定閾值策略下空載電壓波動和發車間隔變化導致的儲能系統回收再生制動能量效果差的問題，北京交通大學楊林實驗室團隊提出了一種充放電閾值自適應調整策略。該策略能適應不同發車間隔、空載電壓變化等因素影響下的復雜時變非線性牽引供電系統，在線優化儲能系統再生能量回收。仿真與現場實驗結果驗證了所提出策略的可行性和有效性。
團隊介紹
楊林實驗室隸屬于北京交通大學電氣工程學院電力電子研究所，致力于現代軌道交通技術領域的研究。專注于城軌交通地面儲能系統、大功率無線電能傳輸、列車牽引傳動技術等的理論研究和工程應用。近年來，實驗室承擔了多項軌道交通領域的國家重點研發計劃、國家科技支撐計劃、863項目等國家級和省部級課題。
劉宇嫣
1993年生，博士研究生，研究方向為城市軌道交通節能技術。
楊中平
1970年生，教授，博士生導師；研究方向為軌道交通電力牽引傳動和節能技術等。
林飛
1975年生，教授，博士生導師；研究方向為軌道交通電力牽引傳動、無線電能傳輸技術等。
方曉春
1987年生，副教授，研究方向為軌道交通電力牽引傳動、節能等。
孫湖
1971年生，高級工程師，研究方向為電力牽引交流傳動互饋試驗控制等。
研究背景
隨著城市軌道交通線網規模的快速擴大，其能耗問題也日益突出。在城市軌道交通系統用電能耗中牽引能耗占比最大，而列車制動時產生的制動能量可占牽引能耗的30%~40%。在牽引變電站安裝儲能系統能有效回收再生制動能量。
此外，考慮到供電故障時列車需緊急牽引以及儲能系統價格、安全運行等問題，選擇開發超級電容與鈦酸鋰電池結合的地面混合儲能裝置，通過合理的容量配置和高性能的能量管理策略，充分發揮兩種儲能元件各自的功率密度高和能量密度高的優點，能夠使系統兼顧吸收再生制動能量、削峰填谷以及緊急牽引等多種功能。
論文所解決的問題及意義
受城市電網的影響，牽引網空載電壓是實時波動的，固定充放電閾值會導致儲能系統“充而不放”或“無法充電”的現象發生。并且，充放電閾值對儲能裝置充放電能量影響明顯，充電閾值過高，儲能裝置可吸收能量減少，充電閾值過低，則會影響列車間的能量交互；放電閾值越低，儲能裝置可放電能量越少。
此外，列車運行圖對能量流動也有較大影響。當發車間隔較小時，列車剩余再生能量較小，牽引變電站輸出峰值功率較大；當發車間隔較大時，列車剩余再生能量較大，牽引變電站站輸出峰值功率較小。故充放電閾值參數的合理設置對提升地面式混合儲能系統的節能效果至關重要。
論文方法及創新點
圖1 含有地面式混合儲能裝置的牽引供電系統
為解決傳統固定閾值策略下空載電壓波動和發車間隔變化導致的儲能系統回收再生制動能量效果差的問題，本文提出了一種充放電閾值自適應調整策略。此外，考慮到電池和超級電容在功率密度、能量密度和價格方面的差異性，提出一種考慮節能率的綜合經濟效益最優的混合儲能系統容量配置方法。
1 基于模糊邏輯控制的閾值自適應調整策略
本文所提出的策略在未知空載電壓和列車運行圖信息的情況下，根據變電站輸出電量及儲能系統電量的分布規律來判斷空載電壓和列車運行圖的變化趨勢，并以提高再生能量利用率為優化目標制定充放電閾值調節規則，利用模糊控制模塊實時調整充放電閾值，優化儲能系統的充放電效果。
圖2 基于模糊邏輯控制的電壓閾值自適應調整策略
2 容量配置模型
由于儲能系統配置容量和能量管理策略相互耦合，互相影響。不同能量管理策略下所得到的優化配置方案也不同。因此本文對容量配置及能量管理控制參數進行了綜合優化。本文建立了包含儲能系統全壽命周期成本和供電系統牽引耗電費用的綜合成本最小的容量優化配置目標。仿真表明，本文所提出的容量優化策略相比于單獨優化容量配置，綜合經濟成本降低了0.42萬元/天。
本團隊研發了1MW地面式混合儲能裝置，并在北京地鐵八通線梨園站進行了掛網試驗。本文利用該裝置對所提出的自適應能量管理策略進行了試驗驗證。實驗結果表明，利用所提出的策略對閾值進行自適應調整，能合理優化混合儲能系統的再生能量回收效果。
圖3 北京八通線梨園站1MW地面式混合儲能裝置
結論
本文根據空載電壓和列車運行圖對儲能系統回收能量的影響，提出了基于模糊邏輯控制的地面式混合儲能系統的充放電閾值自適應調整策略。綜合考慮了經濟效益和節能率約束之間的平衡關系，對地面式混合儲能系統進行了容量配置與控制參數的綜合優化求解。最后，對所提能量管理策略進行了仿真分析，并利用八通線梨園站的1MW地面式混合儲能系統樣機驗證了策略的可行性和有效性。
引用本文
劉宇嫣, 楊中平, 林飛, 方曉春, 孫湖. 城軌地面式混合儲能系統自適應能量管理與容量優化配置研究[J]. 電工技術學報, 2021, 36(23): 4874-4884. Liu Yuyan, Yang Zhongping, Lin Fei, Fang Xiaochun, Sun Hu. Study on Adaptive Energy Management and Optimal Capacity Configuration of Urban Rail Ground Hybrid Energy Storage System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4874-4884.
