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近年來高速鐵路運(yùn)輸發(fā)展迅速，我國(guó)高鐵里程和班次也逐漸增多。高鐵機(jī)車的制動(dòng)方式有機(jī)械制動(dòng)、空氣制動(dòng)和再生制動(dòng)三種。當(dāng)機(jī)車處于再生制動(dòng)方式時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)工作，將機(jī)車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伣o牽引網(wǎng)，并呈現(xiàn)出瞬時(shí)功率和能量均較大的特點(diǎn)。以CRH380BL型動(dòng)車組為例，該機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的最大功率可達(dá)8MW，再生制動(dòng)能量約為列車牽引能量的10%~30%。電網(wǎng)公司對(duì)再生制動(dòng)能量回饋采用倒送不計(jì)的收費(fèi)方式，因此如何有效利用再生制動(dòng)能量是鐵路部門面臨的重大實(shí)際需求。

目前針對(duì)再生制動(dòng)能量回收利用方法按照再生制動(dòng)的功率大小和持續(xù)時(shí)間可分為小功率短時(shí)間、小功率長(zhǎng)時(shí)間、大功率短時(shí)間和大功率長(zhǎng)時(shí)間四種。例如電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)功率為小功率短時(shí)間情況，地鐵的再生制動(dòng)功率主要有小功率短時(shí)間和大功率短時(shí)間兩種情況，而高鐵的再生制動(dòng)包含以上四種情況。

地鐵再生制動(dòng)能量回收的問題研究較多，國(guó)內(nèi)有學(xué)者采用超級(jí)電容器來回收利用城市軌道交通中的再生制動(dòng)能量，并對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略及健康狀態(tài)進(jìn)行了研究。然而與地鐵相比，高鐵的再生制動(dòng)能量特性在于其功率和能量都大很多，并且由于超級(jí)電容器能量密度小，價(jià)格昂貴，采用單一的超級(jí)電容器來回收高鐵再生制動(dòng)能量所需成本很高。

針對(duì)高鐵再生制動(dòng)能量的特點(diǎn)，武漢大學(xué)等單位的科研人員采用超級(jí)電容器和蓄電池組合成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）來回收。

圖1 含混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的高鐵牽引供電系統(tǒng)

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在電氣化交通領(lǐng)域的應(yīng)用，目前也有廣泛的研究。但是，在有關(guān)學(xué)者的研究中都是給出固定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)來回收再生制動(dòng)能量，未根據(jù)再生制動(dòng)能量的負(fù)荷特性對(duì)所配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前面臨的主要問題是如何優(yōu)化配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量使得用戶收益最大。

針對(duì)上述存在的問題，武漢大學(xué)等單位的科研人員對(duì)僅采用蓄電池、僅采用超級(jí)電容器及采用蓄電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)三種不同方式進(jìn)行容量配置，考慮配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本，比較其經(jīng)濟(jì)型。并分別對(duì)三種方式下完全回收再生制動(dòng)能量和部分回收再生制動(dòng)能量?jī)煞N場(chǎng)景進(jìn)行容量配置，選出經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的容量配置方案。

圖2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理流程

表1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)不同回收方式的成本

研究人員得出的結(jié)論如下：

1）采用超級(jí)電容器和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)回收高鐵再生制動(dòng)能量具有可行性和有效性。

2）由于高鐵再生制動(dòng)功率和能量都很大，且高鐵再生制動(dòng)能量峰值功率持續(xù)時(shí)間較短，完全回收再生制動(dòng)能量所需配置的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)利用率較低，也無法節(jié)省系統(tǒng)總成本。

3）部分回收再生制動(dòng)能量方式投入的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)成本只占完全回收再生制動(dòng)能量方式投入成本的34.9%，但其回收的再生制動(dòng)能量占總再生制動(dòng)能量的62.4%。與無儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)相比，部分回收再生制動(dòng)能量方式下日總成本節(jié)省了3%。

本文編自2021年第19期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高速鐵路混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化研究”，作者為袁佳歆、曲鍇 等。