高速鐵路再生制動能量存儲利用方案研究

呂順凱，張志文

0 引言

截至2021年底，中國高速鐵路運營里程已達4萬公里，位居世界第一[1]。隨著運營里程和客運量逐年增長，牽引用電量也隨之快速攀升。為實現“雙碳”目標下的高速鐵路綠色發展，亟需制定切實有效的牽引供電節能措施。

高速動車組減速或進站停車時，優先采用再生制動，將動能轉換為電能回送牽引供電系統[2]。受到單相分段供電架構和行車組織等因素限制，再生制動能量在牽引供電系統內部的自然利用率較低，向公共電網大量反送。而電力公司僅對牽引用電單向計費，反送的再生制動能量未給鐵路帶來收益[3]。因此，加強再生制動能量利用研究與應用不僅有助于節能降耗，也有助于節支增效。

與行車優化[4]和轉移利用[5-6]等方案相比，存儲利用可將再生制動能量靈活消納，而且便于擴展電能質量治理、最大需量削減、應急供電等輔助功能，綜合優勢顯著[7]。近年來，儲能技術安全性、可靠性、成本和壽命等領域研究均取得了長足的進步，產業體系日趨完備，成本出現較大幅度下降，已初步具備在高速鐵路應用的經濟性[8-9]。為此，基于高速鐵路再生制動能量特性分析，本文提出一種采用鈦酸鋰電池作為儲能介質的再生能存儲利用方案，重點研究裝置設計以及能量管理與協同控制策略，并依據實測數據進行仿真驗證和收益分析。

1 高速鐵路再生制動能量特性分析

1.1 牽引供電負荷特征

選取京滬高鐵某牽引變電所作為示例，分析高速鐵路牽引供電負荷的特征。高速鐵路按照既定列車運行圖運營，規律性強，每日牽引供電負荷情況基本一致。在該變電所牽引供電系統高壓側計量點處，架設1臺A級功率分析儀進行有功功率采集，采樣周期為1 s，測試時長為1個完整的負荷周期，即24 h。定義記錄的正值有功功率表示牽引工況，從電網獲取電能；負值有功功率表示再生工況，向電網反送電能。牽引供電負荷實測數據如圖1所示。

圖1 牽引供電負荷實測數據

由圖1可知，高鐵牽引供電系統負荷功率大，牽引功率峰值高達90 MW，再生制動功率峰值接近30 MW；功率峰谷交錯，波動性強，牽引工況和再生工況頻繁切換。對圖1中的牽引負荷功率數據進行積分測算得出：24 h從公共電網獲取正向電量338.19 MW·h；24 h向公共電網反送再生制動能量16.94 MW·h，占正向電量的5.01%，利用潛力較大。

1.2 再生制動能量分類

根據持續時間和功率均值，將高速鐵路的再生制動能量分為4類：a.短時小功率；b.短時大功率；c.長時小功率；d.長時大功率。定義持續時間小于等于120 s為短時，大于120 s為長時；功率均值小于等于3 MW為小功率，大于3 MW為大功率。24 h內各類再生制動能量統計分析如表1所示。

表1 24 h內各類再生制動能量統計分析

由表1可知，無論是按照次數還是能量占比進行排序，短時大功率類型的再生制動能量均占比最高，長時小功率類型的再生制動能量占比最低；短時小功率類型的再生制動能量出現次數較多，但能量占比較低；長時大功率類型的再生制動能量出現次數較少，但能量占比較高。各類再生制動能量的典型功率波形如圖2所示。

圖2 各類再生制動能量的典型功率波形

對短時大功率類型的再生制動能量進一步分析發現：再生工況功率均值總體呈離散分布，在時長20～60 s區域內波動范圍較大（3.01～19.41 MW），其他時長區域內波動范圍較?。?.01～13.34 MW）；在時長40 s以下范圍內，單次再生工況產生的能量與持續時間呈現較強的正相關關系，其他時長區域內未呈線性關系；能量主要集中于時長40 s及以上的再生工況，時長40～120 s范圍內的再生工況共計61次，產生的制動能量合計10.18 MW·h，占總再生制動能量的60.09%。短時大功率類型的再生制動能量及其功率均值分布見圖3。

圖3 短時大功率類型的再生制動能量及其功率均值分布

通過分析可知，高速鐵路再生制動能量具有高功率、短時間和大能量的特點。需要說明的是，圖1—圖3和表1中的具體數值均基于示例變電所的實測數據分析得出，有一定的代表性，但并非高速鐵路通用取值。

2 存儲利用裝置

2.1 裝置構成

存儲利用裝置主要由隔離開關、斷路器、變壓器、交直交變流單元、儲能單元、控制單元和保護單元等子部件構成。裝置同時接入牽引供電系統27.5 kV側a相和b相母線，實現再生制動能量利用的選擇性和靈活性[10]，主接線拓撲如圖4所示。

圖4 存儲利用裝置主接線拓撲

核心子部件的功能如下：

（1）交直交變流單元主要包含2組共直流母線的AC/DC變流器（變流器1和變流器2），兼顧電分相兩側a相和b相供電區間再生制動能量的存儲與釋放，并為儲能單元提供直流電壓接口。

（2）儲能單元主要包含1組DC/DC變流器（變流器3）和1套儲能介質。DC/DC變流器并聯接入交直交變流單元的直流側，控制儲能介質充放電。

（3）控制單元檢測牽引供電系統高壓側和低壓側的實時有功功率以及儲能介質的荷電狀態（State Of Charge，SOC）等信息，自動選擇和切換裝置的工作模式與控制策略，協同控制變流器1～3各端口間的有功功率潮流。

（4）保護單元實時監測牽引供電系統和存儲利用裝置自身的運行狀態。當監測到過壓、過流和功率差動等任何嚴重故障時，封鎖變流器1～3的控制指令，聯跳兩側斷路器，并分開前端隔離開關，將裝置與牽引供電系統整體分離。

（5）變壓器將27.5 kV電壓轉換為適合變流器1和變流器2直接接入的電壓等級，如1 kV?？刹捎酶咦杩剐妥儔浩?，將濾波電抗器內置，以節省裝置占地面積。

2.2 儲能介質選型

儲能介質選取是決定存儲利用方案經濟效益的關鍵。根據上文對高速鐵路再生制動能量特性的分析可知，短時大功率類型的再生制動能量24 h內出現164次，能量占比達80.93%。因此，為實現再生制動能量高效利用，獲取全生命周期最大收益，儲能介質需兼具高功率密度、高能量密度和長使用壽命的特性。

工程應用時，可選擇能量密度與功率密度互補的混合型儲能介質，如電池+超級電容、電池+飛輪等，優先通過超級電容或飛輪存儲和釋放再生制動能量，提高總體壽命；也可選擇具有高倍率充放電能力和長壽命特性的單一型儲能介質，如飛輪、超級電容和鈦酸鋰電池等，通過串并聯方式滿足高能量需求。

與混合型儲能介質相比，選用單一型儲能介質時，不需考慮特性迥異的各類儲能介質之間功率分配和能量環流等難題，控制策略更為簡單、可靠[11]。符合應用需求的各類單一型儲能介質中，鈦酸鋰電池的能量密度遠大于飛輪和超級電容，基于同等能量和功率需求，由鈦酸鋰電池構成的儲能介質價格最低，即使在存儲利用裝置全生命周期內進行多次更換，總投資也最少[12-13]。而且，鈦酸鋰電池為零應變材料，耐寬溫（-40～65 ℃），與飛輪和超級電容相比，無高速旋轉部件和漏液風險，安全性好。因此，綜合考慮可靠性、經濟性以及安全性，優選鈦酸鋰電池作為儲能介質。

3 能量管理與控制策略

已有較多文獻對AC/DC變流器和DC/DC變流器等變流器級的控制方法進行了詳細分析[14-15]，本文不再對此進行討論，主要研究系統級能量管理策略和多變流器協同控制策略。

3.1 能量管理策略

根據存儲利用裝置與牽引供電系統之間能量潮流的方向和幅值情況，將存儲利用裝置的工作模式劃分為無能量交換的待機模式、輸入電能的儲能模式和輸出電能的放電模式。控制單元依據牽引供電系統高壓側總有功功率PT、儲能介質荷電狀態SOC的上限值和下限值等判據條件，實時選擇并自動切換存儲利用裝置的工作模式。

定義PT＞0表示牽引供電系統從公共電網獲取電能，PT＜0表示牽引供電系統向公共電網反送再生制動能量，PT= 0表示牽引供電系統空載，與公共電網之間無能量交換。設定儲能介質SOC的上限值和下限值分別為SOCmax和SOCmin，當儲能介質實時SOC≤SOCmin時，儲能單元停止釋放電能；當儲能介質實時SOC≥SOCmax時，儲能單元不再消納再生制動能量。計及PT、SOCmax和SOCmin的共同約束，將工況條件劃分為5種。各類工況條件及裝置對應的工作模式選擇如表2所示。

表2 各類工況條件及裝置對應的工作模式選擇

因此，存儲利用裝置的能量管理策略如下：

（1）當牽引供電系統向公共電網反送再生制動能量，且儲能介質實時SOC低于上限值時，存儲利用裝置工作于儲能模式，消納再生制動能量，減少向公共電網反送的電能。

（2）當牽引供電系統從公共電網獲取電能，且儲能介質實時SOC高于下限值時，存儲利用裝置工作于放電模式，釋放已儲存的再生制動能量，減少從公共電網獲取的電能。

（3）其他工況條件下，存儲利用裝置均工作于待機模式，與牽引供電系統之間無能量交換。

3.2 協同控制策略

設定牽引供電系統27.5 kV側a相和b相母線的有功功率分別為Pa和Pb，定義有功功率為正表示牽引工況，有功功率為負表示再生工況，有功功率為0表示牽引和再生工況的特殊情況。忽略牽引變壓器的損耗時，PT=Pa+Pb。設定變流器1和2的額定功率分別為P1n和P2n，實時有功功率分別為P1和P2。通常選取P1n=P2n，也可根據a相和b相母線再生制動能量特性差異，為變流器1和2選取不同的額定功率。設定變流器3的額定功率為P3n，實時有功功率為P3。為充分利用變流器1～的額定能力，選取P3n=P1n+P2n輸出為功率正方向。

保能量轉移過程中損耗最小。例如，當a相和b母線工況相反時，儲能模式下優先通過再生工況母線側的變流器輸入有功功率，放電模式下優先通過牽引工況母線側的變流器輸出有功功率。同時，在PT、Pa、Pb、P1n、P2n和P3n等限定條件的共同約束下，存儲利用裝置以最大化利用再生制動能量為目標，協同控制各變流器的有功功率輸入與輸出。例如，當某時刻優先通過變流器1輸入有功功率，但需要輸入的總有功功率大于變流器1的額定功率時，控制變流器2同步輸入，提高再生制動能量利用率。

通過優選變流器的拓撲結構、動態調節IGBT的開關頻率等措施，變流器的工作效率能夠接近于1。因此，為適當簡化分析過程，可暫不計及裝置內部功率傳輸損耗，則P3=P1+P2。待機模式下的協同控制最為簡單，只需將各變流器的有功功率目標值均置于0。以下重點分析存儲協同控制和放電協同控制。

3.2.1 儲能協同控制

當檢測到PT＜0，SOC＜SOCmax時，存儲利用裝置進入儲能模式。根據再生制動能量在a相和b相母線供電區間的分布情況，以及PT的功率幅值與P1n、P2n和P3n的比較結果，經過分類整理，將輸入控制策略分為6種。儲能模式控制策略選擇流程如圖5所示。

圖5 儲能模式控制策略選擇流程

6種輸入控制策略下各變流器的工作狀態及其功率控制目標值如表3所示。

表3 6種輸入控制策略下各變流器的工作狀態及其功率控制目標值

儲能模式下的典型功率潮流如圖6所示。輸入控制策略1、3、5和6對應的功率潮流如圖6（a）所示；輸入控制策略2對應的功率潮流如圖6（b）所示；輸入控制策略4對應的功率潮流如圖6（c）所示。

圖6 儲能模式下的典型功率潮流

3.2.2 放電協同控制

當檢測到PT＞0，SOC＞SOCmin時，存儲利用裝置進入放電模式。根據27.5 kV側a相和b相母線供電區間的負荷情況，以及PT的功率幅值與P1n、P2n和P3n的比較結果，經過分類整理，將輸出控制策略分為6種。放電模式控制策略選擇流程如圖7所示。

6種輸出控制策略下各變流器的工作狀態及其功率控制目標值如表4所示。

放電模式下的典型功率潮流如圖8所示。輸出控制策略1、3、5和6對應的功率潮流如圖8（a）所示；輸出控制策略2對應的功率潮流如圖8（b）所示；輸出控制策略4對應的功率潮流如圖8（c）所示。

圖8 放電模式下的典型功率潮流

4 仿真分析

4.1 仿真條件

為驗證能量管理與控制策略的正確性和有效性，以1.1節所述示例變電所現場設備參數和實測功率數據為輸入，選擇鈦酸鋰電池作為儲能介質，并基于圖1所示系統拓撲搭建仿真模型進行分析。包含牽引供電系統、交直交變流單元和儲能單元等在內的主要仿真參數見表5，設定存儲利用裝置的總體工作效率為0.92，儲能單元的初始SOC為0.34。

表5 主要仿真參數

4.2 仿真結果

存儲利用裝置投入前后牽引供電系統日總有功功率曲線對比如圖9所示。由圖9可知，與存儲利用前相比，某些時間段內，當牽引供電系統處于再生工況時，再生功率存在一定程度減小，再生制動能量被存儲利用；當牽引供電系統處于牽引工況時，牽引功率存在一定程度降低，減少了從電網獲取的電能。

圖9 裝置投入前后牽引供電系統日有功功率對比

存儲利用裝置日有功功率及SOC曲線如圖10所示。由圖10可見，變流器1～3的有功功率均在各自額定功率限值范圍內，依據牽引供電系統負荷工況以及儲能介質SOCmax和SOCmin的約束，協同控制各變流器端口間的功率潮流，可有效提高裝置總體的存儲和釋放能力，與預定控制策略相符。

圖10 存儲利用裝置日有功功率及SOC曲線

存儲利用裝置投入前后，牽引供電系統單日正向電量、反向電量以及電池電量等各項電量對比分析見表6。由表6可知，與利用前相比，電池電量無變化；牽引供電系統單日正向電量和反向電量均顯著減少，尤其是反向電量，由16 942 kW·h降至4 960 kW·h，存儲利用裝置消納再生制動能量11 982 kW·h，利用率達70.72%，實現高效利用，扣除8%的工作損耗之后，有效減少牽引用電量11 023 kW·h。

表6 存儲利用前后單日各項電量對比分析 kW·h

5 節能效果和投資收益分析

5.1 節能效果測算

依據GB/T 13234—2018《用能單位節能量計算方法》[16]，由牽引供電系統正向電量變化分析得出，存儲利用可實現的節能率式中：Ea為存儲利用之后牽引供電系統正向電量減少值，取11 023 kW·h；Eb為存儲利用之前牽引供電系統正向電量，取338 189 kW·h。按照日節電量11 023 kW·h計算，等效年節電量4 023 MW·h，結合0.8元/(kW·h)綜合電價，存儲利用每年可減少電費支出322萬元。

5.2 全生命周期投資收益分析

為評估存儲利用方案的應用前景，進行全生命周期投資收益分析[17]。按照4.2節仿真結果和等效循環法[18]，將鈦酸鋰電池單日不同充放電深度對應的循環次數折算為15次滿充滿放循環，等效年循環次數為5 475次。根據制造商試驗數據（25 000次循環壽命，此時容量降至初始值的80%）并保留一定的安全裕量，需要每4年更換1次電池。設存儲利用裝置的全生命周期為20年，由于裝置為間歇工作制，平均負荷率極低，因此20年內除電池外其他物料均無需更換，只需定期維護。綜合考慮施工運輸、物料和維護等各項費用的方案成本如表7所示。

表7 方案成本分析

裝置初始投資總成本934萬元，其中電池初始成本為480萬元，占比超過50%?！丁笆奈濉毙滦蛢δ馨l展實施方案》提出“到2025年，電化學儲能系統成本降低30%以上”。除首次安裝外，20年內電池還需更換4次，按照電池采購成本每4年下降20%保守估計，電池費用累計約1 614萬元。不計復利等因素影響，20年內節能收益共計6 440萬元（322萬元/年×20年），扣除各項支出2 168萬元，全生命周期投資收益為4 272萬元。

6 結論

通過高速鐵路再生制動能量利用方案設計、仿真驗證和收益測算，得出以下結論：

（1）制定的能量管理與控制策略能夠根據牽引供電系統工況及儲能介質實時SOC，完成存儲利用裝置各種工作模式的選擇與切換，并在多項限定條件的共同約束下，按照最短傳輸路徑和協同控制原則，最大化利用再生制動能量。

（2）高速鐵路牽引供電系統負荷功率大，再生制動能量豐富，其中短時大功率類型的再生制動能量占比最高。優選鈦酸鋰電池作為儲能介質的存儲利用方案節能效果良好、經濟效益可觀，具有較高的工程應用價值。

本文在實測牽引負荷數據的基礎上開展研究，可為工程設計提供參考。如何優化配置存儲利用裝置的各項參數，進一步提高收益，將是下一步研究的重點。