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    • 头条基于列车运行状态的城轨地面混合储能装置分时段控制策略
      2021-04-29 作者:秦强强 张骄 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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      导语城轨交通地面混合储能装置兼顾吸收列车剩余再生制动能量与作为备用电源驱动供电故障列车的功能。北京交通大学电气工程学院、北京市地铁运营有限公司的研究人员秦强强、张骄、李宇杰、林飞、杨中平,在2019年《电工技术学报》增刊2上撰文,根据城轨交通供电系统实际运行状况,建立牵引供电系统仿真模型,分析在列车不同发车间隔下牵引网潮流变化情况,并由此提出基于列车运行状态的城轨地面混合储能装置分时段控制策略。研究结果表明,此控制策略能够有效地提高混合储能装置吸收剩余再生制动能量能力,增加电池的使用寿命。

      城轨交通具有运量大、人均能耗低、污染少和安全可靠等特点,在近几年得到了飞速发展。同时越来越多的储能装置被安装到城轨牵引供电系统中,目的是回收列车剩余再生制动能量和抑制直流网压波动。用于城市轨道交通储能装置的储能元件主要有超级电容(Supercapacitor, SC)、电池(Battery, Bat)和飞轮。

      目前电池储能系统、飞轮储能系统和超级电容储能系统在城市轨道交通中 均得到了实际应用,比如在马德里运行的西门子SITRAS-SES超级电容储能系统,日本Seishin- Yamate线安装的锂电池储能系统,美国洛杉矶地铁使用的2MW飞轮储能装置等。统筹超级电容与电池两者特性优势,研发了混合储能系统,在充分吸收列车剩余再生制动能量的同时为供电故障列车紧急自牵引提供能量,在国内外轨道交通牵引供电领域也被广泛关注。

      近年来,国内外很多学者对储能装置的能量管理策略开展了广泛而深入的研究。但是这些研究所陈述的能量管理策略并未考虑到城轨列车实际运行过程中发车间隔变化的影响。实际线路中列车会根据乘客出行规律,设定不同的发车间隔。发车间隔不同,线路中同时运行的车辆数就会不同,继而影响列车间能量交互过程,造成牵引网中剩余再生制动能量变化,采用传统单一功率分配模式,不能充分发挥混合储能装置的最优效果。

      北京交通大学电气工程学院、北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心、北京市地铁运营有限公司的研究人员,根据列车发车间隔时间表,总结出牵引网剩余再生制动能量变化规律,混合储能装置分时段动态选择不同的功率分配模式,达到稳压节能效果的同时,减少制动电阻消耗能量与电池充放电容量,提高储能装置整体寿命。

      基于列车运行状态的城轨地面混合储能装置分时段控制策略

      图1 城轨列车供电系统仿真平台

      基于列车运行状态的城轨地面混合储能装置分时段控制策略

      图2 仿真模型示意图

      基于列车运行状态的城轨地面混合储能装置分时段控制策略

      图3 实验平台

      研究人员充分考虑列车运行规律与能量流动特点,结合超级电容与钛酸锂电池自身特性,提出基于列车运行状态的城轨地面混合储能装置分时段控制策略。

      该控制策略在发车间隔较大时因列车剩余再生制动能量与功率较大,采用电池优先响应模式,保证超级电容有足够容量响应大功率负载,避免制动电阻不必要的启动;发车间隔较小时因列车剩余再生制动能量与功率较小采用超级电容优先响应模式,减少电池使用容量,以提高电池的使用寿命。研究者利用北京地铁实际线路参数,通过牵引供电仿真平台与混合储能实验平台对本文提出的控制策略的有效性进行了仿真与实验验证。

      模型分析与仿真平台软件结果表明,列车在低峰期再生制动能量较大,高峰期再生制动能量较少。提出的分时段控制策略,低峰期电池优先响应,高峰期电容优先响应,相较于传统单一电容优先响应的工作模式储能效果提高7.8%,相较于单一电池优先响应策略,电池使用寿命提高了6.3%,整体提高了储能装置的经济效益。后续,将根据该控制策略,对储能装置容量配置进行的优化,进一步提高混合储能系统的性能。

      以上研究成果发表在2019年《电工技术学报》增刊2,论文标题为“基于列车运行状态的城轨地面混合储能装置分时段控制策略”,作者为秦强强、张骄、李宇杰、林飞、杨中平。

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