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城軌交通具有運(yùn)量大、人均能耗低、污染少和安全可靠等特點(diǎn)，在近幾年得到了飛速發(fā)展。同時(shí)越來(lái)越多的儲(chǔ)能裝置被安裝到城軌牽引供電系統(tǒng)中，目的是回收列車剩余再生制動(dòng)能量和抑制直流網(wǎng)壓波動(dòng)。用于城市軌道交通儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能元件主要有超級(jí)電容（Supercapacitor, SC）、電池（Battery, Bat）和飛輪。

目前電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市軌道交通中 均得到了實(shí)際應(yīng)用，比如在馬德里運(yùn)行的西門子SITRAS-SES超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，日本Seishin- Yamate線安裝的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，美國(guó)洛杉磯地鐵使用的2MW飛輪儲(chǔ)能裝置等。統(tǒng)籌超級(jí)電容與電池兩者特性優(yōu)勢(shì)，研發(fā)了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在充分吸收列車剩余再生制動(dòng)能量的同時(shí)為供電故障列車緊急自牽引提供能量，在國(guó)內(nèi)外軌道交通牽引供電領(lǐng)域也被廣泛關(guān)注。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)儲(chǔ)能裝置的能量管理策略開(kāi)展了廣泛而深入的研究。但是這些研究所陳述的能量管理策略并未考慮到城軌列車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)車間隔變化的影響。實(shí)際線路中列車會(huì)根據(jù)乘客出行規(guī)律，設(shè)定不同的發(fā)車間隔。發(fā)車間隔不同，線路中同時(shí)運(yùn)行的車輛數(shù)就會(huì)不同，繼而影響列車間能量交互過(guò)程，造成牽引網(wǎng)中剩余再生制動(dòng)能量變化，采用傳統(tǒng)單一功率分配模式，不能充分發(fā)揮混合儲(chǔ)能裝置的最優(yōu)效果。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)中心、北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司的研究人員，根據(jù)列車發(fā)車間隔時(shí)間表，總結(jié)出牽引網(wǎng)剩余再生制動(dòng)能量變化規(guī)律，混合儲(chǔ)能裝置分時(shí)段動(dòng)態(tài)選擇不同的功率分配模式，達(dá)到穩(wěn)壓節(jié)能效果的同時(shí)，減少制動(dòng)電阻消耗能量與電池充放電容量，提高儲(chǔ)能裝置整體壽命。

圖1 城軌列車供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)

圖2 仿真模型示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究人員充分考慮列車運(yùn)行規(guī)律與能量流動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合超級(jí)電容與鈦酸鋰電池自身特性，提出基于列車運(yùn)行狀態(tài)的城軌地面混合儲(chǔ)能裝置分時(shí)段控制策略。

該控制策略在發(fā)車間隔較大時(shí)因列車剩余再生制動(dòng)能量與功率較大，采用電池優(yōu)先響應(yīng)模式，保證超級(jí)電容有足夠容量響應(yīng)大功率負(fù)載，避免制動(dòng)電阻不必要的啟動(dòng)；發(fā)車間隔較小時(shí)因列車剩余再生制動(dòng)能量與功率較小采用超級(jí)電容優(yōu)先響應(yīng)模式，減少電池使用容量，以提高電池的使用壽命。研究者利用北京地鐵實(shí)際線路參數(shù)，通過(guò)牽引供電仿真平臺(tái)與混合儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)本文提出的控制策略的有效性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

模型分析與仿真平臺(tái)軟件結(jié)果表明，列車在低峰期再生制動(dòng)能量較大，高峰期再生制動(dòng)能量較少。提出的分時(shí)段控制策略，低峰期電池優(yōu)先響應(yīng)，高峰期電容優(yōu)先響應(yīng)，相較于傳統(tǒng)單一電容優(yōu)先響應(yīng)的工作模式儲(chǔ)能效果提高7.8%，相較于單一電池優(yōu)先響應(yīng)策略，電池使用壽命提高了6.3%，整體提高了儲(chǔ)能裝置的經(jīng)濟(jì)效益。后續(xù)，將根據(jù)該控制策略，對(duì)儲(chǔ)能裝置容量配置進(jìn)行的優(yōu)化，進(jìn)一步提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。

以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“基于列車運(yùn)行狀態(tài)的城軌地面混合儲(chǔ)能裝置分時(shí)段控制策略”，作者為秦強(qiáng)強(qiáng)、張驕、李宇杰、林飛、楊中平。