城軌交通地面混合儲能裝置兼顧吸收列車剩余再生制動能量與作為備用電源驅(qū)動供電故障列車的功能。北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、北京市地鐵運營有限公司的研究人員秦強強、張驕、李宇杰、林飛、楊中平，在2019年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2上撰文，根據(jù)城軌交通供電系統(tǒng)實際運行狀況，建立牽引供電系統(tǒng)仿真模型，分析在列車不同發(fā)車間隔下牽引網(wǎng)潮流變化情況，并由此提出基于列車運行狀態(tài)的城軌地面混合儲能裝置分時段控制策略。研究結(jié)果表明，此控制策略能夠有效地提高混合儲能裝置吸收剩余再生制動能量能力，增加電池的使用壽命。
城軌交通具有運量大、人均能耗低、污染少和安全可靠等特點，在近幾年得到了飛速發(fā)展。同時越來越多的儲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能量和抑制直流網(wǎng)壓波動。用于城市軌道交通儲能裝置的儲能元件主要有超級電容（Supercapacitor, SC）、電池（Battery, Bat）和飛輪。
目前電池儲能系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)和超級電容儲能系統(tǒng)在城市軌道交通中 均得到了實際應(yīng)用，比如在馬德里運行的西門子SITRAS-SES超級電容儲能系統(tǒng)，日本Seishin- Yamate線安裝的鋰電池儲能系統(tǒng)，美國洛杉磯地鐵使用的2MW飛輪儲能裝置等。統(tǒng)籌超級電容與電池兩者特性優(yōu)勢，研發(fā)了混合儲能系統(tǒng)，在充分吸收列車剩余再生制動能量的同時為供電故障列車緊急自牽引提供能量，在國內(nèi)外軌道交通牽引供電領(lǐng)域也被廣泛關(guān)注。
近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對儲能裝置的能量管理策略開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際運行過程中發(fā)車間隔變化的影響。實際線路中列車會根據(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，線路中同時運行的車輛數(shù)就會不同，繼而影響列車間能量交互過程，造成牽引網(wǎng)中剩余再生制動能量變化，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、北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術(shù)研發(fā)中心、北京市地鐵運營有限公司的研究人員，根據(jù)列車發(fā)車間隔時間表，總結(jié)出牽引網(wǎng)剩余再生制動能量變化規(guī)律，混合儲能裝置分時段動態(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，減少制動電阻消耗能量與電池充放電容量，提高儲能裝置整體壽命。
圖1 城軌列車供電系統(tǒng)仿真平臺
圖2 仿真模型示意圖
圖3 實驗平臺
研究人員充分考慮列車運行規(guī)律與能量流動特點，結(jié)合超級電容與鈦酸鋰電池自身特性，提出基于列車運行狀態(tài)的城軌地面混合儲能裝置分時段控制策略。
該控制策略在發(fā)車間隔較大時因列車剩余再生制動能量與功率較大，采用電池優(yōu)先響應(yīng)模式，保證超級電容有足夠容量響應(yīng)大功率負(fù)載，避免制動電阻不必要的啟動；發(fā)車間隔較小時因列車剩余再生制動能量與功率較小采用超級電容優(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際線路參數(shù)，通過牽引供電仿真平臺與混合儲能實驗平臺對本文提出的控制策略的有效性進(jìn)行了仿真與實驗驗證。
模型分析與仿真平臺軟件結(jié)果表明，列車在低峰期再生制動能量較大，高峰期再生制動能量較少。提出的分時段控制策略，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%，整體提高了儲能裝置的經(jīng)濟效益。后續(xù)，將根據(jù)該控制策略，對儲能裝置容量配置進(jìn)行的優(yōu)化，進(jìn)一步提高混合儲能系統(tǒng)的性能。
以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2，論文標(biāo)題為“基于列車運行狀態(tài)的城軌地面混合儲能裝置分時段控制策略”，作者為秦強強、張驕、李宇杰、林飛、楊中平。
