基于階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲能系統控制策略

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可以有效地回收列車再生制動能量，實現電氣化鐵路的節能運行?；旌蟽δ芟到y在采用濾波能量管理策略時，其內部會出現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的再生制動能量利用率，該控制策略充分發揮了鋰電池能量密度高、超級電容器響應速度快的優勢。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節來提升混合儲能系統的動態性能。最后通過RT-Lab實時仿真和基于實測數據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 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最大單體負荷，因此我國鐵路的總耗電量在全國鐵路營業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電氣化鐵路的節能降耗是我國鐵路發展亟須解決的問題。

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具備削峰填谷、穩定牽引網電壓、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，已有文獻主要研究了儲能系統的拓撲結構、控制算法、容量設計以及最優運行等[7-9]。然而，現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（Hybrid Energy Storage System, HESS）成為國內外學者研究的熱點，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中。目前，混合儲能系統已在微電網[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。為充分發揮混合儲能系統在電氣化鐵路中的優勢，就必須針對電氣化鐵路制定經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能量管理中的首要問題[18]，現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自適應能量控制策略，在保證直流母線電壓穩定的同時，利用超級電容器很大程度上優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內部能量交換問題。不同儲能介質間的能量交換對于混合儲能系統吸收和釋放能量沒有實際的意義[22]，還會讓儲能介質產生不必要的動作，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的再生制動能量利用率，并且該策略能夠充分發揮鋰電池能量密度高、超級電容器響應速度快的優勢。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節來提升混合儲能系統的動態性能。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據進行了算例分析，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

1.1 系統結構

電氣化鐵路混合儲能系統的結構如圖1所示，系統主要包括鐵路功率調節器（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，通過協調控制兩個變流器的運行狀態，實現牽引變電所左、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過雙向DC-DC變換器連接至直流母線構成混合儲能系統，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度和功率分配[23]，并且可以靈活地切換充放電狀態來實現列車再生制動能量的儲存與釋放。

1.2 系統工作原理

電氣化鐵路混合儲能系統通過背靠背變流器有效地回收列車制動產生的再生能量，忽略系統的傳輸損耗，并按照圖1所規定的正方向，可得上述系統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。