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(chǔ)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(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756）

隨著電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，能耗問(wèn)題也日益加重。為電氣化鐵路加裝混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地回收列車再生制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能運(yùn)行。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在采用濾波能量管理策略時(shí)，其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)不同儲(chǔ)能介質(zhì)間的能量交換問(wèn)題。對(duì)此，首先提出一種基于階梯能量管理的控制策略，通過(guò)抑制這種能量交換來(lái)提高系統(tǒng)的再生制動(dòng)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(jí)電容器響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)。然后為了補(bǔ)償鋰電池參考功率變化引起的功率跟蹤誤差，加入超級(jí)電容器補(bǔ)償環(huán)節(jié)來(lái)提升混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。最后通過(guò)RT-Lab實(shí)時(shí)仿真和基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的算例分析驗(yàn)證了所提策略的有效性和可行性。

電氣化鐵路 混合儲(chǔ)能系統(tǒng) 再生制動(dòng)能量 階梯能量管理

0 引言

截至目前，全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到14.63萬(wàn)km，其中，高鐵達(dá)3.79萬(wàn)km[1]。交流電氣化鐵路為電力系統(tǒng)最大單體負(fù)荷，因此我國(guó)鐵路的總耗電量在全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程不斷增長(zhǎng)的背景之下，也在不斷增加。因此，如何采取有效措施實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能降耗是我國(guó)鐵路發(fā)展亟須解決的問(wèn)題。

對(duì)列車再生制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，可以使電氣化鐵路的能耗問(wèn)題得到明顯改善[2]。目前電氣化鐵路再生制動(dòng)能量利用方式主要包括[2-6]能耗型、能饋型和儲(chǔ)能型。其中，儲(chǔ)能型再生制動(dòng)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(zhì)量治理、緩解負(fù)序等功能，得到了廣泛關(guān)注。針對(duì)儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)，已有文獻(xiàn)主要研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制算法、容量設(shè)計(jì)以及最優(yōu)運(yùn)行等[7-9]。然而，現(xiàn)有研究多針對(duì)單一儲(chǔ)能介質(zhì)，對(duì)于某些特殊線路（如長(zhǎng)大坡道線路），其再生制動(dòng)功率高、再生制動(dòng)能量豐富，采用單一介質(zhì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)難以滿足電氣化鐵路的負(fù)荷特性。

近年來(lái)，由兩種或兩種以上儲(chǔ)能介質(zhì)所構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其中，鋰電池和超級(jí)電容器在性能上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性[10]，被大量地使用在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中。目前，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)已在微電網(wǎng)[11-15]、城市軌道交通[16]和電動(dòng)汽車[17]等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用，但其在電氣化鐵路中的應(yīng)用研究卻相對(duì)較少。為充分發(fā)揮混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在電氣化鐵路中的優(yōu)勢(shì)，就必須針對(duì)電氣化鐵路制定經(jīng)濟(jì)高效的能量管理策略。功率指令的實(shí)時(shí)分配是混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理中的首要問(wèn)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(yù)測(cè)控制策略[20]等。由于濾波分配方式結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易，得到了廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)[11-13]提出了將目標(biāo)功率經(jīng)過(guò)一階低通濾波器進(jìn)行濾波，提取出高頻和低頻功率，分別作為超級(jí)電容器和鋰電池的功率參考值，實(shí)現(xiàn)了限制鋰電池出力，延長(zhǎng)鋰電池使用壽命的目的。文獻(xiàn)[21]提出了一種基于移動(dòng)平均濾波算法的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)自適應(yīng)能量控制策略，在保證直流母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)，利用超級(jí)電容器很大程度上優(yōu)化了蓄電池的充放電過(guò)程，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命。文獻(xiàn)[5]將蓄電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)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(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)能介質(zhì)間的功率分配，有效地回收再生制動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部能量交換問(wèn)題。不同儲(chǔ)能介質(zhì)間的能量交換對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收和釋放能量沒(méi)有實(shí)際的意義[22]，還會(huì)讓儲(chǔ)能介質(zhì)產(chǎn)生不必要的動(dòng)作，進(jìn)而對(duì)其使用壽命造成一定的影響。

為避免不同儲(chǔ)能介質(zhì)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(guò)抑制這種能量交換來(lái)提高系統(tǒng)的再生制動(dòng)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(jí)電容器響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)。為補(bǔ)償鋰電池參考功率變化引起的功率跟蹤誤差，加入超級(jí)電容器補(bǔ)償環(huán)節(jié)來(lái)提升混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。所提出的控制策略在RT-Lab OP5700實(shí)時(shí)仿真機(jī)中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并結(jié)合某牽引變電所的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了算例分析，結(jié)果驗(yàn)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(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電氣化鐵路混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jí)電容器。RPC由兩個(gè)電壓源型變流器形成對(duì)稱的背靠背結(jié)構(gòu)，通過(guò)協(xié)調(diào)控制兩個(gè)變流器的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)牽引變電所左、右供電臂間有功功率的雙向轉(zhuǎn)移。鋰電池和超級(jí)電容器分別經(jīng)過(guò)雙向DC-DC變換器連接至直流母線構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其充放電功率分別由兩個(gè)控制器獨(dú)立控制，便于進(jìn)行不同儲(chǔ)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(lái)實(shí)現(xiàn)列車再生制動(dòng)能量的儲(chǔ)存與釋放。

1.2 系統(tǒng)工作原理

電氣化鐵路混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)背靠背變流器有效地回收列車制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量，忽略系統(tǒng)的傳輸損耗，并按照?qǐng)D1所規(guī)定的正方向，可得上述系統(tǒng)中各功率之間的關(guān)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(fù)荷功率；PRPCL、PRPCR分別為左、右側(cè)變流器的輸出功率；PHESS為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率；Pbat為鋰電池輸出功率；Psc為超級(jí)電容器輸出功率。