近年來(lái)，城軌列車發(fā)展迅猛，給人們的出行帶來(lái)了很大的方便。但是城軌列車頻繁的啟動(dòng)與制動(dòng)狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓的起伏，不利于列車的安全運(yùn)行，并且會(huì)嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。因此，需要配備一些儲(chǔ)能設(shè)施來(lái)解決這些問題。目前，應(yīng)用于城軌列車的儲(chǔ)能設(shè)施有很多，可分為兩種類型：能量類型和功率類型。蓄電池的能量密度比較大，可以滿足系統(tǒng)對(duì)于高能量的要求，但是其內(nèi)部進(jìn)行的是電化學(xué)反應(yīng)，故功率密度較低、響應(yīng)速度較慢。超級(jí)電容內(nèi)部進(jìn)行的是物理變化，功率密度大、響應(yīng)速度快，但其能量密度比較低。單一的儲(chǔ)能元件無(wú)法同時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)于高功率和高能量的需求，因此需要采用由蓄電池和超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)兩者的不足。基于混合儲(chǔ)能的城軌列車運(yùn)行系統(tǒng)的如圖 1 所示。


圖 1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖


2、創(chuàng)新點(diǎn)及解決的問題

列車頻繁的啟動(dòng)與制動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致直流牽引網(wǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間不斷地進(jìn)行能量交換，這部分能量將在超級(jí)電容和蓄電池之間進(jìn)行分配。傳統(tǒng)的功率分配多采用低通濾波法，濾波時(shí)間常數(shù)是固定的，但是由于負(fù)載功率、超級(jí)電容和蓄電池的 SOC 的實(shí)時(shí)變化，使用固定的濾波時(shí)間常數(shù)不能充分發(fā)揮各儲(chǔ)能元件的優(yōu)點(diǎn)，因此可以利用超級(jí)電容的 SOC 對(duì)濾波時(shí)間常數(shù)進(jìn)行校正。改進(jìn)后的低通濾波法不但能夠保證直流牽引網(wǎng)電壓在要求的范圍內(nèi)波動(dòng)，還能夠延長(zhǎng)儲(chǔ)能元件的使用壽命，并且能將城軌列車的回饋能量收集起來(lái)，提升能量的利用率。

3、重要內(nèi)容導(dǎo)讀

文章首先介紹了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理 。城軌列車在運(yùn)行中會(huì)經(jīng)歷三個(gè)過程：勻速、加速和減速。

（1）當(dāng)城軌列車處于勻速狀態(tài)時(shí)，直流牽引網(wǎng)電壓基本保持不變，此時(shí)直流牽引網(wǎng)和超級(jí)電容或者蓄電池之間沒有進(jìn)行能量交換；

（2）當(dāng)城軌列車處于加速狀態(tài)時(shí)，因電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要大量能量，控制回路將使得開關(guān)管S 2 、S 4 導(dǎo)通，對(duì)電感 L 1 、L 2 進(jìn)行充電，然后超級(jí)電容和蓄電池與 L 1 、L 2 通過 S 1 、S 3 反并聯(lián)的二極管接入牽引網(wǎng)中，給牽引網(wǎng)供能，避免牽引網(wǎng)電壓降得太低，此時(shí) DC/DC 變換器工作在 Boost 模式下；

（3）當(dāng)城軌列車處于減速狀態(tài)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生反饋能量，此時(shí)牽引網(wǎng)通過開關(guān)管 S 1 、S 3 對(duì)超級(jí)電容和蓄電池進(jìn)行充電，不但可以避免牽引網(wǎng)電壓升的過高，還可以將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)為下一次加速做準(zhǔn)備，此時(shí) DC/DC 變換器工作在 Buck 模式下。然后介紹了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略。在進(jìn)行能量管理時(shí)需要先對(duì)功率進(jìn)行解耦，這樣就可以由超級(jí)電容提供變化的高頻功率，蓄電池負(fù)責(zé)相應(yīng)的低頻功率，文章采用由超級(jí)電容的 SOC 控制低通濾波器的時(shí)間常數(shù)來(lái)確定各自的目標(biāo)功率的方法。濾波時(shí)間常數(shù)和超級(jí)電容 SOC 的關(guān)系如圖 2 所示。


圖 2 基于超級(jí)電容 SOC 和濾波時(shí)間常數(shù)的關(guān)系圖

Fig.2 Relationship diagram between SOC of super capacitor and filter time constant

（1）當(dāng)超級(jí)電容的 SOC 處于[0，SOC min ]時(shí)，濾波時(shí)間常數(shù) T 修正為 0，則超級(jí)電容不再進(jìn)行放電，完全由蓄電池放電來(lái)維持直流牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，同時(shí)為了保護(hù)蓄電池，令參功率 P ref-out 等于蓄電池的最大輸出功率；

（2）當(dāng)超級(jí)電容的SOC處于[SOC min ，SOC 1 ]時(shí)，按照?qǐng)D 3 中Ⅰ段所示對(duì)濾波時(shí)間常數(shù)進(jìn)行修正，此時(shí)隨著超級(jí)電容SOC值的減小，濾波時(shí)間常數(shù)T跟著減小，故蓄電池可補(bǔ)償?shù)念l率范圍就相應(yīng)增大，輸出功率也相應(yīng)增大，當(dāng)且僅當(dāng)超級(jí)電容的SOC等于最小值SOC min時(shí)，濾波時(shí)間常數(shù)為T min ，蓄電池補(bǔ)償?shù)念l率范圍最大，輸出功率達(dá)到最大，避免了超級(jí)電容的過放；

（3）當(dāng)超級(jí)電容的SOC處于[SOC 1 ，SOC 2 ]時(shí)，濾波時(shí)間常數(shù)不變，為給定的初始值T 0 ，此時(shí)超級(jí)電容和蓄電池都能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)；

（4）當(dāng)超級(jí)電容的SOC處于[SOC 2 ，SOC max ]時(shí)，按照?qǐng)D 3 中Ⅲ段所示對(duì)濾波時(shí)間常數(shù)進(jìn)行修正，此時(shí)隨著超級(jí)電容SOC值的增大，濾波時(shí)間常數(shù)T也跟著增大，故蓄電池可補(bǔ)償?shù)念l率范圍就相應(yīng)減小，輸出功率也相應(yīng)減小，而超級(jí)電容的輸出功率增大，減小了蓄電池的運(yùn)行壓力，增加了蓄電池的使用次數(shù)；

（5）當(dāng)超級(jí)電容的SOC處于 [SOC max ，100%]時(shí)，濾波時(shí)間常數(shù)T修正為 0，此時(shí)超級(jí)電容不再進(jìn)行充電，完全由蓄電池來(lái)吸收多的制動(dòng)能量，同時(shí)為了避免蓄電池短時(shí)間的過流，令參考功率P ref-in 等于蓄電池的最小輸入功率。

濾波時(shí)間常數(shù)修正關(guān)系如下：

（1）


通過對(duì)濾波時(shí)間常數(shù)的修正，蓄電池和超級(jí)電容的功率參考值也得到了相應(yīng)的修正，不再是初始設(shè)定的固定值，其修正后的功率參考值分別為：


最后，通過 Matlab/Simulink 搭建模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證改進(jìn)策略的有效性。


4、結(jié)論

針對(duì)城軌列車在運(yùn)行過程中對(duì)直流牽引網(wǎng)電壓造成的沖擊，文章研究了由超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并提出了基于超級(jí)電容 SOC 控制濾波時(shí)間常數(shù)的低通濾波法來(lái)分配功率的策略。仿真結(jié)果表明，所提出的策略不但能夠保證直流牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，還能夠根據(jù)城軌列車的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)以及儲(chǔ)能元件的使用情況對(duì)其進(jìn)行合理的功率分配。同時(shí)，還可以避免超級(jí)電容和蓄電池出現(xiàn)過充、過放的情況，超級(jí)電容對(duì)高頻功率的響應(yīng)也避免了蓄電池遭受較大沖擊，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

5、引用本文

章寶歌, 李萍, 張振, 王宇, 榮耀. 應(yīng)用于城軌列車混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2020, 9(1): 204-210.

Baoge ZHANG, Ping LI, Zhen ZHANG, Yu WANG, Yao RONG. Energy management strategy of hybrid energy storage system for urban rail trains[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(1): 204-210.