團隊介紹

楊林實驗室隸屬于北京交通大學電氣工程學院電力電子研究所，致力于現(xiàn)代軌道交通技術(shù)領(lǐng)域的研究。專注于城軌交通地面儲能系統(tǒng)、大功率無線電能傳輸、列車牽引傳動技術(shù)等的理論研究和工程應(yīng)用。近年來，實驗室承擔了多項軌道交通領(lǐng)域的國家重點研發(fā)計劃、國家科技支撐計劃、863項目等國家級和省部級課題。

劉宇嫣

1993年生，博士研究生，研究方向為城市軌道交通節(jié)能技術(shù)。

楊中平

1970年生，教授，博士生導師；研究方向為軌道交通電力牽引傳動和節(jié)能技術(shù)等。

林飛

1975年生，教授，博士生導師；研究方向為軌道交通電力牽引傳動、無線電能傳輸技術(shù)等。

方曉春

1987年生，副教授，研究方向為軌道交通電力牽引傳動、節(jié)能等。

孫湖

1971年生，高級工程師，研究方向為電力牽引交流傳動互饋試驗控制等。

研究背景

隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的快速擴大，其能耗問題也日益突出。在城市軌道交通系統(tǒng)用電能耗中牽引能耗占比最大，而列車制動時產(chǎn)生的制動能量可占牽引能耗的30%~40%。在牽引變電站安裝儲能系統(tǒng)能有效回收再生制動能量。

此外，考慮到供電故障時列車需緊急牽引以及儲能系統(tǒng)價格、安全運行等問題，選擇開發(fā)超級電容與鈦酸鋰電池結(jié)合的地面混合儲能裝置，通過合理的容量配置和高性能的能量管理策略，充分發(fā)揮兩種儲能元件各自的功率密度高和能量密度高的優(yōu)點，能夠使系統(tǒng)兼顧吸收再生制動能量、削峰填谷以及緊急牽引等多種功能。

論文所解決的問題及意義

受城市電網(wǎng)的影響，牽引網(wǎng)空載電壓是實時波動的，固定充放電閾值會導致儲能系統(tǒng)“充而不放”或“無法充電”的現(xiàn)象發(fā)生。并且，充放電閾值對儲能裝置充放電能量影響明顯，充電閾值過高，儲能裝置可吸收能量減少，充電閾值過低，則會影響列車間的能量交互；放電閾值越低，儲能裝置可放電能量越少。

此外，列車運行圖對能量流動也有較大影響。當發(fā)車間隔較小時，列車剩余再生能量較小，牽引變電站輸出峰值功率較大；當發(fā)車間隔較大時，列車剩余再生能量較大，牽引變電站站輸出峰值功率較小。故充放電閾值參數(shù)的合理設(shè)置對提升地面式混合儲能系統(tǒng)的節(jié)能效果至關(guān)重要。

論文方法及創(chuàng)新點

圖1 含有地面式混合儲能裝置的牽引供電系統(tǒng)

為解決傳統(tǒng)固定閾值策略下空載電壓波動和發(fā)車間隔變化導致的儲能系統(tǒng)回收再生制動能量效果差的問題，本文提出了一種充放電閾值自適應(yīng)調(diào)整策略。此外，考慮到電池和超級電容在功率密度、能量密度和價格方面的差異性，提出一種考慮節(jié)能率的綜合經(jīng)濟效益最優(yōu)的混合儲能系統(tǒng)容量配置方法。

1 基于模糊邏輯控制的閾值自適應(yīng)調(diào)整策略

本文所提出的策略在未知空載電壓和列車運行圖信息的情況下，根據(jù)變電站輸出電量及儲能系統(tǒng)電量的分布規(guī)律來判斷空載電壓和列車運行圖的變化趨勢，并以提高再生能量利用率為優(yōu)化目標制定充放電閾值調(diào)節(jié)規(guī)則，利用模糊控制模塊實時調(diào)整充放電閾值，優(yōu)化儲能系統(tǒng)的充放電效果。

圖2 基于模糊邏輯控制的電壓閾值自適應(yīng)調(diào)整策略

2 容量配置模型

由于儲能系統(tǒng)配置容量和能量管理策略相互耦合，互相影響。不同能量管理策略下所得到的優(yōu)化配置方案也不同。因此本文對容量配置及能量管理控制參數(shù)進行了綜合優(yōu)化。本文建立了包含儲能系統(tǒng)全壽命周期成本和供電系統(tǒng)牽引耗電費用的綜合成本最小的容量優(yōu)化配置目標。仿真表明，本文所提出的容量優(yōu)化策略相比于單獨優(yōu)化容量配置，綜合經(jīng)濟成本降低了0.42萬元/天。

本團隊研發(fā)了1MW地面式混合儲能裝置，并在北京地鐵八通線梨園站進行了掛網(wǎng)試驗。本文利用該裝置對所提出的自適應(yīng)能量管理策略進行了試驗驗證。實驗結(jié)果表明，利用所提出的策略對閾值進行自適應(yīng)調(diào)整，能合理優(yōu)化混合儲能系統(tǒng)的再生能量回收效果。

圖3 北京八通線梨園站1MW地面式混合儲能裝置

結(jié)論

本文根據(jù)空載電壓和列車運行圖對儲能系統(tǒng)回收能量的影響，提出了基于模糊邏輯控制的地面式混合儲能系統(tǒng)的充放電閾值自適應(yīng)調(diào)整策略。綜合考慮了經(jīng)濟效益和節(jié)能率約束之間的平衡關(guān)系，對地面式混合儲能系統(tǒng)進行了容量配置與控制參數(shù)的綜合優(yōu)化求解。最后，對所提能量管理策略進行了仿真分析，并利用八通線梨園站的1MW地面式混合儲能系統(tǒng)樣機驗證了策略的可行性和有效性。

引用本文

劉宇嫣, 楊中平, 林飛, 方曉春, 孫湖. 城軌地面式混合儲能系統(tǒng)自適應(yīng)能量管理與容量優(yōu)化配置研究[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(23): 4874-4884. Liu Yuyan, Yang Zhongping, Lin Fei, Fang Xiaochun, Sun Hu. Study on Adaptive Energy Management and Optimal Capacity Configuration of Urban Rail Ground Hybrid Energy Storage System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4874-4884.