团队介绍

杨林实验室隶属于北京交通大学电气工程学院电力电子研究所，致力于现代轨道交通技术领域的研究。专注于城轨交通地面储能系统、大功率无线电能传输、列车牵引传动技术等的理论研究和工程应用。近年来，实验室承担了多项轨道交通领域的国家重点研发计划、国家科技支撑计划、863项目等国家级和省部级课题。

刘宇嫣

1993年生，博士研究生，研究方向为城市轨道交通节能技术。

杨中平

1970年生，教授，博士生导师；研究方向为轨道交通电力牵引传动和节能技术等。

林飞

1975年生，教授，博士生导师；研究方向为轨道交通电力牵引传动、无线电能传输技术等。

方晓春

1987年生，副教授，研究方向为轨道交通电力牵引传动、节能等。

孙湖

1971年生，高级工程师，研究方向为电力牵引交流传动互馈试验控制等。

研究背景

随着城市轨道交通线网规模的快速扩大，其能耗问题也日益突出。在城市轨道交通系统用电能耗中牵引能耗占比最大，而列车制动时产生的制动能量可占牵引能耗的30%~40%。在牵引变电站安装储能系统能有效回收再生制动能量。

此外，考虑到供电故障时列车需紧急牵引以及储能系统价格、安全运行等问题，选择开发超级电容与钛酸锂电池结合的地面混合储能装置，通过合理的容量配置和高性能的能量管理策略，充分发挥两种储能元件各自的功率密度高和能量密度高的优点，能够使系统兼顾吸收再生制动能量、削峰填谷以及紧急牵引等多种功能。

论文所解决的问题及意义

受城市电网的影响，牵引网空载电压是实时波动的，固定充放电阈值会导致储能系统“充而不放”或“无法充电”的现象发生。并且，充放电阈值对储能装置充放电能量影响明显，充电阈值过高，储能装置可吸收能量减少，充电阈值过低，则会影响列车间的能量交互；放电阈值越低，储能装置可放电能量越少。

此外，列车运行图对能量流动也有较大影响。当发车间隔较小时，列车剩余再生能量较小，牵引变电站输出峰值功率较大；当发车间隔较大时，列车剩余再生能量较大，牵引变电站站输出峰值功率较小。故充放电阈值参数的合理设置对提升地面式混合储能系统的节能效果至关重要。

论文方法及创新点

图1 含有地面式混合储能装置的牵引供电系统

为解决传统固定阈值策略下空载电压波动和发车间隔变化导致的储能系统回收再生制动能量效果差的问题，本文提出了一种充放电阈值自适应调整策略。此外，考虑到电池和超级电容在功率密度、能量密度和价格方面的差异性，提出一种考虑节能率的综合经济效益最优的混合储能系统容量配置方法。

1 基于模糊逻辑控制的阈值自适应调整策略

本文所提出的策略在未知空载电压和列车运行图信息的情况下，根据变电站输出电量及储能系统电量的分布规律来判断空载电压和列车运行图的变化趋势，并以提高再生能量利用率为优化目标制定充放电阈值调节规则，利用模糊控制模块实时调整充放电阈值，优化储能系统的充放电效果。

图2 基于模糊逻辑控制的电压阈值自适应调整策略

2 容量配置模型

由于储能系统配置容量和能量管理策略相互耦合，互相影响。不同能量管理策略下所得到的优化配置方案也不同。因此本文对容量配置及能量管理控制参数进行了综合优化。本文建立了包含储能系统全寿命周期成本和供电系统牵引耗电费用的综合成本最小的容量优化配置目标。仿真表明，本文所提出的容量优化策略相比于单独优化容量配置，综合经济成本降低了0.42万元/天。

本团队研发了1MW地面式混合储能装置，并在北京地铁八通线梨园站进行了挂网试验。本文利用该装置对所提出的自适应能量管理策略进行了试验验证。实验结果表明，利用所提出的策略对阈值进行自适应调整，能合理优化混合储能系统的再生能量回收效果。

图3 北京八通线梨园站1MW地面式混合储能装置

结论

本文根据空载电压和列车运行图对储能系统回收能量的影响，提出了基于模糊逻辑控制的地面式混合储能系统的充放电阈值自适应调整策略。综合考虑了经济效益和节能率约束之间的平衡关系，对地面式混合储能系统进行了容量配置与控制参数的综合优化求解。最后，对所提能量管理策略进行了仿真分析，并利用八通线梨园站的1MW地面式混合储能系统样机验证了策略的可行性和有效性。

引用本文

刘宇嫣, 杨中平, 林飞, 方晓春, 孙湖. 城轨地面式混合储能系统自适应能量管理与容量优化配置研究[J]. 电工技术学报, 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.