基于阶梯能量管理的电气化铁路混合储能系统控制策略

耿安琪 胡海涛 张育维 陈俊宇 葛银波

基于阶梯能量管理的电气化铁路混合储能系统控制策略

耿安琪 胡海涛 张育维 陈俊宇 葛银波

（西南交通大学电气工程学院 成都 611756）

随着电气化铁路运营里程的不断增加，能耗问题也日益加重。为电气化铁路加装混合储能系统可以有效地回收列车再生制动能量，实现电气化铁路的节能运行。混合储能系统在采用滤波能量管理策略时，其内部会出现不同储能介质间的能量交换问题。对此，首先提出一种基于阶梯能量管理的控制策略，通过抑制这种能量交换来提高系统的再生制动能量利用率，该控制策略充分发挥了锂电池能量密度高、超级电容器响应速度快的优势。然后为了补偿锂电池参考功率变化引起的功率跟踪误差，加入超级电容器补偿环节来提升混合储能系统的动态性能。最后通过RT-Lab实时仿真和基于实测数据的算例分析验证了所提策略的有效性和可行性。

电气化铁路 混合储能系统 再生制动能量 阶梯能量管理

0 引言

截至目前，全国铁路运营里程达到14.63万km，其中，高铁达3.79万km[1]。交流电气化铁路为电力系统最大单体负荷，因此我国铁路的总耗电量在全国铁路营业里程不断增长的背景之下，也在不断增加。因此，如何采取有效措施实现电气化铁路的节能降耗是我国铁路发展亟须解决的问题。

对列车再生制动能量进行回收利用，可以使电气化铁路的能耗问题得到明显改善[2]。目前电气化铁路再生制动能量利用方式主要包括[2-6]能耗型、能馈型和储能型。其中，储能型再生制动能量利用系统具备削峰填谷、稳定牵引网电压、电能质量治理、缓解负序等功能，得到了广泛关注。针对储能型再生制动能量利用系统，已有文献主要研究了储能系统的拓扑结构、控制算法、容量设计以及最优运行等[7-9]。然而，现有研究多针对单一储能介质，对于某些特殊线路（如长大坡道线路），其再生制动功率高、再生制动能量丰富，采用单一介质的储能系统难以满足电气化铁路的负荷特性。

近年来，由两种或两种以上储能介质所构成的混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS）成为国内外学者研究的热点，其中，锂电池和超级电容器在性能上具有很强的互补性[10]，被大量地使用在混合储能系统中。目前，混合储能系统已在微电网[11-15]、城市轨道交通[16]和电动汽车[17]等领域得到广泛的运用，但其在电气化铁路中的应用研究却相对较少。为充分发挥混合储能系统在电气化铁路中的优势，就必须针对电气化铁路制定经济高效的能量管理策略。功率指令的实时分配是混合储能系统能量管理中的首要问题[18]，现有的功率分配方式主要有：基于滤波的分配策略[11-14]、模糊控制策略[19]和模型预测控制策略[20]等。由于滤波分配方式结构较为简单，实现起来较为容易，得到了广泛应用。

文献[11-13]提出了将目标功率经过一阶低通滤波器进行滤波，提取出高频和低频功率，分别作为超级电容器和锂电池的功率参考值，实现了限制锂电池出力，延长锂电池使用寿命的目的。文献[21]提出了一种基于移动平均滤波算法的混合储能系统自适应能量控制策略，在保证直流母线电压稳定的同时，利用超级电容器很大程度上优化了蓄电池的充放电过程，延长了蓄电池使用寿命。文献[5]将蓄电池和超级电容器组成的混合储能系统应用到电气化铁路中，采用基于一阶低通滤波器的能量管理策略实现不同储能介质间的功率分配，有效地回收再生制动能量。

然而，上述基于滤波分配的控制策略均未考虑滤波器延迟引起的混合储能系统内部能量交换问题。不同储能介质间的能量交换对于混合储能系统吸收和释放能量没有实际的意义[22]，还会让储能介质产生不必要的动作，进而对其使用寿命造成一定的影响。

为避免不同储能介质间的能量交换，提出一种基于阶梯能量管理的控制策略，通过抑制这种能量交换来提高系统的再生制动能量利用率，并且该策略能够充分发挥锂电池能量密度高、超级电容器响应速度快的优势。为补偿锂电池参考功率变化引起的功率跟踪误差，加入超级电容器补偿环节来提升混合储能系统的动态性能。所提出的控制策略在RT-Lab OP5700实时仿真机中进行了仿真验证，并结合某牵引变电所的实测数据进行了算例分析，结果验证了本文提出方法的有效性和可行性。

1 电气化铁路混合储能系统

1.1 系统结构

电气化铁路混合储能系统的结构如图1所示，系统主要包括铁路功率调节器（Railway Power Conditioner, RPC）、双向DC-DC变换器、锂电池和超级电容器。RPC由两个电压源型变流器形成对称的背靠背结构，通过协调控制两个变流器的运行状态，实现牵引变电所左、右供电臂间有功功率的双向转移。锂电池和超级电容器分别经过双向DC-DC变换器连接至直流母线构成混合储能系统，其充放电功率分别由两个控制器独立控制，便于进行不同储能元件间的能量调度和功率分配[23]，并且可以灵活地切换充放电状态来实现列车再生制动能量的储存与释放。

1.2 系统工作原理

电气化铁路混合储能系统通过背靠背变流器有效地回收列车制动产生的再生能量，忽略系统的传输损耗，并按照图1所规定的正方向，可得上述系统中各功率之间的关系为

式中，Pa、Pb 分别为牵引变电所a、b 臂有功功率；PLa、PLb 分别为a、b 臂的负荷功率；PRPCL、PRPCR分别为左、右侧变流器的输出功率；PHESS为混合储能系统的输出功率；Pbat为锂电池输出功率；Psc为超级电容器输出功率。