电气化轨道交通牵引网电储能系统优化研究

李增华

摘 要：将丙烯酰胺水凝胶材料应用于超级电容器，可以在电气化轨道交通中存储再生制动能量提升牵引网电压水平。在分析电气化轨道交通运行状态的基础上，提出一种遵循储能系统能量改善方法来调节牵引网充放电阈值电压。建立了包括列车、储能系统、牵引变电站在内的直流牵引电力系统的数学模型。在不同条件下，通过对牵引网电压和列车状态的实时监测，确定能量管理状态机，并利用实际线路数据进行仿真和主铁路轨道场实验，验证了所提管理策略的合理性和有效性。研究结果分析可知，能源管理状态机可以在非常理想的状态下运行，平均节能率高达21.7%，反映了所提出的能源管理策略的有效性和稳定性。

关键词：电气化；牵引网；电压；储能

中图分类号：U264.3

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0169-05

Research on optimization of electric energy storage system in electrified rail transit traction network

LI Zenghua

（Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Urumqi 830011，China）

Abstract：Applying acrylamide hydrogel material to supercapacitors can store regenerative braking energy in electrified rail transit to improve the voltage level of traction network.On the basis of analyzing the operation status of electrified rail transit，this article proposes a method to adjust the charging and discharging threshold voltage of the traction network by following the energy improvement method of the energy storage system.A mathematical model of the DC traction power system，including trains，energy storage systems，and traction substations，has been established.Under different conditions，the energy management state machine was determined by real-time monitoring of traction network voltage and train status.Simulation and main railway track field experiments were conducted using actual line data to verify the rationality and effectiveness of the proposed management strategy.The analysis of research results shows that the energy management state machine can operate in very ideal conditions，with an average energy saving rate of up to 21.7%，reflecting the effectiveness and stability of the proposed energy management strategy.

Key words：electrification;traction network;voltage;energy storage

丙烯酰胺水凝胶作为亲水聚合物交联的半固体材料，在电力系统及计算机存储等领域得到了广泛的应用。由于丙烯酰胺水凝胶的三维网络结构，它可以吸收大量的液体电解质，从而产生高导电性。因此，作为一种新型功能材料，高分子丙烯酰胺水凝胶材料具有良好的柔韧性、生物相容性和优异的电性能，将其应用在超级电容器中，可以极大提高牵引网的电压水平。目前，超级电容在轨道交通供电系统中的应用已较为常见。

随着中国社会的不断发展，轨道交通供电系统迅速扩张。然而，这个供电系统会消耗大量的能量［1］。通过应用超级电容器储能系统（ESS），结合再生制动，在轨道交通供电系统中可以节省大量的能源［2］。目前丙烯酰胺水凝胶材料被认为是用于能量存储和转换的新兴电极材料。研究了一类新的水凝胶材料作为超级电容器的有利候选者，其比电容为230 F/g，扫描速率为10 mV/s［3］。此外，还有研究了水凝胶和碳纳米管复合材料，其高电容为 286.6 F/g（10 mV/s） ［4］。但材料涉及多种金属元素的混合，由于其独特的物理化学性质而引起了相当大的关注。当材料的尺寸减小到纳米状态时，这种独特的物理化学性能包括优异的磁和电性能、高机械和热稳定性以及耐腐蚀性和抗氧化性，因此丙烯酰胺水凝胶材料可以实际用于超级电容器储能系统。

为了精确控制牵引网电压的充电状态（SOC），在典型的双环控制策略的基础上，改进了三环控制策略，其中电压环的可行性被嵌套在牵引网电压环中，并分析了牵引网电流环，以实现对牵引网电压和牽引网电压充电状态的精确控制。同时目前关于地面牵引网电压水平的能量管理策略的研究还存在一些不足。有必要考虑电气化轨道交通中列车之间传输的再生制动能量，并在牵引网和列车制动电阻之间进一步分配剩余能量。为了成功地进行牵引变电站、列车和静电放电（ESD）之间的能量流分析，以及实现再生制动能量的最大利用［8］，本文在考虑列车运行状态的基础上，提出了牵引网电压水平的控制策略及改善方法研究。

1 牵引网供电系统等效模型

丙烯酰胺水凝胶超级电容器安装在牵引网变电站中，与直流母线并联。牵引列车将从变电站获得动力能量、附近列车的再生制动能量。再生制动电压可以在牵引网中恢复，并且可以用于下一个能量需求［9-10］。

为了分析牵引网的功率分布，建立了一个包括牵引列车和制动列车的等效模型，其中考虑了ESD的应用。当线路损耗与列车运行功率相比稍大时，对于整个牵引网供电网络，两侧的变电站和ESD可以等效为1。在本文中，等效模型假设左侧有一个变电站，右侧有一个ESD，牵引列车和制动列车位于二者之间。变电站为Thevenin等效模型，由一个等效内阻和一个理想电压源串联来表示。制动列车包含与列车的等效电源并联的制动电阻。

在模型中，牵引变电站、ESD和制动电阻分别与一个二极管串联，每个二极管有2种状态，即关闭和导通，分别表示为“0 ”和“1”；因此，模型的拓扑结构包括8种状态［11-13］，从 “0”到“7”，采用二进制编码。在模型中，最低的公共节点可以被视为参考节点，然后将节点和参考节点之间的电路可以被视为独立的分支，且除了参考节点外，其他每一种节点对应于牵引网变电站状态。

对于该系统，制动列车分支被视为一个整体，而制动电阻是一个内部部分。因此，首先将等效运行系统的节点电压方程设置为式（1）～式（4），对应于节点为（a）～（d）的各分支。

uss（yss+ydl+yul）－utmaydl-utbayul-uocyss（1）

utma（yt+ydl+ydr）-ussydl-uesdydr-utmyt=0（2）

utba（yul + yur + yt） - ussyul - uesdyur - utbyt = 0 （3）

uesd（yur + ydr） - utbayur - utmaydr + ich = 0 （4）

在考慮到3个二极管的情况下，节点（a）、（d）的电压方程随着二极管状态的不同而不同；节点（a）、（d）在不同的二极管状态下是不同的。因此，iss = （uoc-uss）yss = 0，如式（5）和ich=0，设为式（6）。

uss（ydl+yul）-utmaydl-utbayul=0（5）

uesd（yur+ydr）-utbayur-utmaydr=0（6）

为此，式（1）、式（4）、式（5）和式（6）分别为iss ≠ 0、ich ≠ 0、iss= 0和ich=0。

另外，将进一步分析分支内部的电流，列车功率和电流表达式分别如式（7）和式（8）所示。

ptm=utmitmptb=utbitb（7）

itb=igr+ibritm=（utma-utm）ytigr=（utb-utba）yt（8）

其中牵引变电站整流单元、ESD和制动电阻分别满足约束条件的不同二极管传导和截止条件：

iss=（uoc-uss）yss（9）

ich=（utba-uch）yur+（utma-uch）ydr（10）

ibr=itb－（utb－utba）yt（11）

通过二进制编码，可以进一步深入了解牵引网工作中对应的8种状态，并显示了各状态对应的分支电流和节点电压约束方程。代码“1”表示该分支上的设备处于导电状态，分别满足式（9）～式（11）所示的分支电流方程，并分别对应于工作模式下的变电站、ESD和制动电阻。因此，“0”代码表示该分支上的设备是关闭的，并且不需要计算该分支的电流。在8种状态的观察下，制动电阻在状态1、3、5、7下消耗制动能量，其效率不高。状态2和状态4为合理状态，其中列车功率ptm小于或大于制动功率ptb，剩余的制动功率被ESD吸收，或多余的部分由牵引变电站提供。状态6与状态5相似，在ESD中恢复了剩余的再生能量，但有不同的节能效果［14］。

以状态1为例，只有电阻器对iss = 0有效，而ich = 0如式（6）所示。节点（b）和（c）的节点电压方程是固定，如式（2）和式（3）所示。同时，带电阻的分支满足电流如式（11），因此，可以得到不同分支的电压和电流。制动电阻站和ESD被放置并对应于组件所在的不同分支的不同功率状态。同样，可以通过结合不同状态下不同边界条件的节点电压方程，确定不同状态下牵引网络的解析方程，具体如表1所示；然后可以分析不同系统状态下的能量流。

2 牵引网电压控制策略

根据列车运行状态分析，应根据列车运行状态动态调整牵引网电压充电阈值电压uch，以使牵引供电系统在状态2或4中以最节能的方式工作。

应调整uch以使制动列车电压utb略小并接近制动电阻器启动电压ubr，从而使列车制动电阻器不被激活。xt是制动列车和紧急停车系统之间的距离［15］，irk是其相应的电流，连接到ESD的4个电流之一，而ESD的控制是ucmd（k），如式（12）所示，itb可以通过牵引网馈线上的电流传感器测量；xt可以从列车控制信号中获得。

ucmd（k）=ubr-itb（k）ri+irkx1（k）pn（12）

控制模块可以分为3个部分，从上到下分别是建议的制动电压跟随控制策略模块，双闭环和硬件在环控制模块。在提出的制动牵引网电压跟随充电控制策略模块中，ucmd必须经过低通滤波器的过滤，以避免转换器控制回路的影响。该滤波器可以是一阶低通滤波器，其中，τlpu是一个时间常数。同时，与制动列车相对应的4个控制电压的平均值的最佳充电电压，这些电压存在于连接到ESD的4个分支上，通过以下方式计算：

uch=14∑4k=11TpuS+1ucmd（k）（13）

针对ESD的能量管理研究，经典的能量管理策略是双环控制策略。在此基础上，结合所提出的制动电压跟随方法，实现了考虑列车运行条件的牵引网电压能量管理。双环控制策略实现了电压外环和电流内环控制，内外环均采用PI调节器；Gvc是电压外环的调节器。通过对iup和idown的上、下限值进行电流幅值限制，得到ESD指令电流icmd。Gic是一个内部电流调节器，其振幅限制范围同样为0～1。

在硬件闭环控制模块中，SM1和SM2分别是脉冲选择开关，并从内部电流调节器获得占空比信号。然后，PWM1和PWM2分别产生控制脉冲，开关交流/交流转换器的上臂、下臂IGBT［16］。

为了验证所提出的控制策略，将式（12）替换为第2节中的8个状态的方程式，分析了列车位置和ESD阈值电压对牵引供电系统能量分布的影响。因此，所提出的控制策略被用于模拟在不同的位置的状态。分别计算xt为0.1、0.46、0.82、1.18、1.54和1.9 km条件下的状态。在前3个位置上，状态分别是2、4和6。然而，在后3个位置中，状态分别是2和4。

3 结果分析

3.1 丙烯酰胺水凝胶超级电容提升电压水平

根据电气化轨道交通中牵引网的2个运行列车的电压质量，计算了超级电容器不同电压下的比电容，具体如图1所示。当电压从0 V增加到20 V时，比电容从17.6 F/g下降到15.3 F/g，有77.6%的电容保留；而较多的电容保留，可以进一步提升牵引网电压控制水平。其主要原因为的丙烯酰胺水凝胶材料高离子传导性。同时电气化轨道交通牵引网运行时的比电容不超过20 F/g，这意味掺入丙烯酰胺水凝胶材料在超级电容中，可以改变牵引网运行时的工作电压限制。随着牵引网电压增加，比电容呈缓慢下降趋势，当电压达到80 V时，比电容达到13.1 F/g，稳定下降的比电容可以有效控制牵引网电压水平。

3.2 模拟验证

本文建立了MATLAB/模拟机中的牵引网供电系统模型，验证了所提出的制动电压跟随控制策略。以某参数牵引网供电系统为例，额定电压为750 V，其他参数如表2所示。使用2个极端状态来验证所提出的策略，一个是低充电阈值电压，牵引变电站很可能向ESD供电；另一个是高充电阈值电压，制动电阻很容易被激活。其中下标t1表示第1列，t2表示第2列。

在第1种情况下，2号列车开始进行牵引并远离ESD；而1号列车则紧紧制动。在充电过程中（见图2），uesd保持在580 V，在73.3 s时，ut1达到最大电压670 V。在73.4～82 s时，pesd>0，且pss>0的状态持续存在，变电站和ESD之间的虚拟能量循环发生［19］。同时usc从286 V充电到483 V。

在日间正常操作实验中，ESD全天投入使用；1～1 000 s的ESD波形如图2所示。其中，图2（a）、（b）采用了固定阈值控制策略，图2（c）采用了所提出的控制策略。综上所述，牵引网络电压、电感电流和SC电压依次显示，其中电感电流为ESS与变电站之间连接的转换器的单桥臂电感电流，且在整个电气化轨道交通牵引网中，丙烯酰胺水凝胶超级电容中阴离子和阳离子的定向迁移及其在相应电极上的积累使超级电容器能够存储电能以供放电时使用，可以极大提升牵引网工作效率。实际上，1-MW的ESS是由相同的2个设备组成的，有一个转换器柜和一个SC柜，这有利于安装和控制，每个转换器包含4个桥臂。因此，1-MW ESS的电流是单桥臂电感电流的8倍，进一步证明丙烯酰胺水凝胶超级电容可以有效提升牵引网电压水平。从图2可以看出，红线的ESS电压曲线直接反映了储存的最大和最小能量范围，中间的黑色直线指的是充放电过程中的每个开关点，即充电和放电过程中的每个开关点。

从图2（a）还可知，uoc为862 V，充电电压uch为786 V，放电电压udis为729 V。由于uch过高，能量总是被制动电阻消耗掉，平均usc为384.5 V，Esc-ch只有65.1 kW·h，能量回收效果不佳。从图2（b）还可知，uoc上升到871 V，同时udis和uoc的差分电压增加，因此ESD 放电功率比下降，导致SC在高电压下工作［20］。同时，由于SC在列车制动过程中的高SOC，不能有效地被填充，因此，Esc- ch只有58.5 kW·h，SC的平均電压为540.1 V。从图2（c）还可知，能量管理策略的问题在图2（a）中得到了体现，同时采用所提出的能源管理策略，夜间双列实验的平均节能率高达21.7%。

图2（a）和（b）中的能量管理策略问题可以得到解决，因为ESD可以有效地吸收或释放再生制动的能量，同时在正常运行实验中，日节能至少为1 016 kW·h，平均节能量为13.5%。平均usc为452.2 V，而Esc-ch为110.1 kW·h。因此，Esc -ch要大得多，大约是图2（a）和图2（b）中能量的2倍。且从图2（c）中也可以看出，SC的牵引网充放电方式保持稳定。在所提出的控制策略下，充放电循环波形在水平直线上上下均匀分布，即可以充分利用ESD的容量，实现良好的充放电控制，其主要原因为丙烯酰胺水凝胶超级电容主要通过氢键、离子键和π-π相互作用等非共价相互作用形成，可以有效控制牵引网电压水平。此外，能源管理状态机可以在非常理想的状态下运行，这反映了所提出的能源管理策略的有效性和稳定性。

4 结语

本文采用交流牵引网电力系统模型，包括变电站、列车、制动电阻和ESS模型，对轨道交通供电系统进行了能量分布分析。通过对不同状态的数学分析，研究了能量分布的影响因素，并提出了考虑不同条件下的牵引网电压水平与改善方法。通过调整充放电阈值，实现了储能装置的最大利用率。同时，所提出的状态切换系统能够实现不同管理状态之间的平稳切换。在某轨道交通的实际运行数据的基础上，进行了仿真和现场实验。在案例研究中，采用所提出的能源管理策略，夜间双列实验的平均节能率高达21.7%。在正常运行实验中，日节能至少为1 016 kW·h，平均节能量为13.5%。从而证明了本文的能源管理策略可以充分利用SC ESS，从而实现可观的能源节约。

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