基于階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲能系統(tǒng)控制策略

耿安琪 胡海濤 張育維 陳俊宇 葛銀波

基于階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲能系統(tǒng)控制策略

耿安琪 胡海濤 張育維 陳俊宇 葛銀波

（西南交通大學電氣工程學院 成都 611756）

隨著電氣化鐵路運營里程的不斷增加，能耗問題也日益加重。為電氣化鐵路加裝混合儲能系統(tǒng)可以有效地回收列車再生制動能量，實現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能運行?；旌蟽δ芟到y(tǒng)在采用濾波能量管理策略時，其內(nèi)部會出現(xiàn)不同儲能介質間的能量交換問題。對此，首先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)的再生制動能量利用率，該控制策略充分發(fā)揮了鋰電池能量密度高、超級電容器響應速度快的優(yōu)勢。然后為了補償鋰電池參考功率變化引起的功率跟蹤誤差，加入超級電容器補償環(huán)節(jié)來提升混合儲能系統(tǒng)的動態(tài)性能。最后通過RT-Lab實時仿真和基于實測數(shù)據(jù)的算例分析驗證了所提策略的有效性和可行性。

電氣化鐵路 混合儲能系統(tǒng) 再生制動能量 階梯能量管理

0 引言

截至目前，全國鐵路運營里程達到14.63萬km，其中，高鐵達3.79萬km[1]。交流電氣化鐵路為電力系統(tǒng)最大單體負荷，因此我國鐵路的總耗電量在全國鐵路營業(yè)里程不斷增長的背景之下，也在不斷增加。因此，如何采取有效措施實現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能降耗是我國鐵路發(fā)展亟須解決的問題。

對列車再生制動能量進行回收利用，可以使電氣化鐵路的能耗問題得到明顯改善[2]。目前電氣化鐵路再生制動能量利用方式主要包括[2-6]能耗型、能饋型和儲能型。其中，儲能型再生制動能量利用系統(tǒng)具備削峰填谷、穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓、電能質量治理、緩解負序等功能，得到了廣泛關注。針對儲能型再生制動能量利用系統(tǒng)，已有文獻主要研究了儲能系統(tǒng)的拓撲結構、控制算法、容量設計以及最優(yōu)運行等[7-9]。然而，現(xiàn)有研究多針對單一儲能介質，對于某些特殊線路（如長大坡道線路），其再生制動功率高、再生制動能量豐富，采用單一介質的儲能系統(tǒng)難以滿足電氣化鐵路的負荷特性。

近年來，由兩種或兩種以上儲能介質所構成的混合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）成為國內(nèi)外學者研究的熱點，其中，鋰電池和超級電容器在性能上具有很強的互補性[10]，被大量地使用在混合儲能系統(tǒng)中。目前，混合儲能系統(tǒng)已在微電網(wǎng)[11-15]、城市軌道交通[16]和電動汽車[17]等領域得到廣泛的運用，但其在電氣化鐵路中的應用研究卻相對較少。為充分發(fā)揮混合儲能系統(tǒng)在電氣化鐵路中的優(yōu)勢，就必須針對電氣化鐵路制定經(jīng)濟高效的能量管理策略。功率指令的實時分配是混合儲能系統(tǒng)能量管理中的首要問題[18]，現(xiàn)有的功率分配方式主要有：基于濾波的分配策略[11-14]、模糊控制策略[19]和模型預測控制策略[20]等。由于濾波分配方式結構較為簡單，實現(xiàn)起來較為容易，得到了廣泛應用。

文獻[11-13]提出了將目標功率經(jīng)過一階低通濾波器進行濾波，提取出高頻和低頻功率，分別作為超級電容器和鋰電池的功率參考值，實現(xiàn)了限制鋰電池出力，延長鋰電池使用壽命的目的。文獻[21]提出了一種基于移動平均濾波算法的混合儲能系統(tǒng)自適應能量控制策略，在保證直流母線電壓穩(wěn)定的同時，利用超級電容器很大程度上優(yōu)化了蓄電池的充放電過程，延長了蓄電池使用壽命。文獻[5]將蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統(tǒng)應用到電氣化鐵路中，采用基于一階低通濾波器的能量管理策略實現(xiàn)不同儲能介質間的功率分配，有效地回收再生制動能量。

然而，上述基于濾波分配的控制策略均未考慮濾波器延遲引起的混合儲能系統(tǒng)內(nèi)部能量交換問題。不同儲能介質間的能量交換對于混合儲能系統(tǒng)吸收和釋放能量沒有實際的意義[22]，還會讓儲能介質產(chǎn)生不必要的動作，進而對其使用壽命造成一定的影響。

為避免不同儲能介質間的能量交換，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、超級電容器響應速度快的優(yōu)勢。為補償鋰電池參考功率變化引起的功率跟蹤誤差，加入超級電容器補償環(huán)節(jié)來提升混合儲能系統(tǒng)的動態(tài)性能。所提出的控制策略在RT-Lab OP5700實時仿真機中進行了仿真驗證，并結合某牽引變電所的實測數(shù)據(jù)進行了算例分析，結果驗證了本文提出方法的有效性和可行性。

1 電氣化鐵路混合儲能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結構

電氣化鐵路混合儲能系統(tǒng)的結構如圖1所示，系統(tǒng)主要包括鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Power Conditioner, RPC）、雙向DC-DC變換器、鋰電池和超級電容器。RPC由兩個電壓源型變流器形成對稱的背靠背結構，通過協(xié)調(diào)控制兩個變流器的運行狀態(tài)，實現(xiàn)牽引變電所左、右供電臂間有功功率的雙向轉移。鋰電池和超級電容器分別經(jīng)過雙向DC-DC變換器連接至直流母線構成混合儲能系統(tǒng)，其充放電功率分別由兩個控制器獨立控制，便于進行不同儲能元件間的能量調(diào)度和功率分配[23]，并且可以靈活地切換充放電狀態(tài)來實現(xiàn)列車再生制動能量的儲存與釋放。

1.2 系統(tǒng)工作原理

電氣化鐵路混合儲能系統(tǒng)通過背靠背變流器有效地回收列車制動產(chǎn)生的再生能量，忽略系統(tǒng)的傳輸損耗，并按照圖1所規(guī)定的正方向，可得上述系統(tǒng)中各功率之間的關系為

式中，Pa、Pb 分別為牽引變電所a、b 臂有功功率；PLa、PLb 分別為a、b 臂的負荷功率；PRPCL、PRPCR分別為左、右側變流器的輸出功率；PHESS為混合儲能系統(tǒng)的輸出功率；Pbat為鋰電池輸出功率；Psc為超級電容器輸出功率。