基于列车运行状态的城轨超级电容储能装置控制策略
北京交通大学电气工程学院的研究人员夏欢、杨中平、杨志鸿、林飞、李旭阳，在2017年第21期《电工技术学报》上撰文，研究应用于城轨交通的地面式超级电容储能装置的控制策略。
首先建立结合列车、储能装置和制动电阻的牵引供电系统的数学模型,分析了列车再生制动时超级电容和制动电阻能量分配的影响因素,并由此提出了考虑列车运行状态的储能装置控制策略。
该控制策略通过列车实时功率、位置数据,动态调整储能装置的充电电压指令,从而调整超级电容的充电功率,使储能装置工作在最优状态。
为了验证所提出的控制策略的有效性,利用北京地铁八通线梨园站的兆瓦级超级电容储能装置开展了实际列车运营实验。现场实验表明,该控制策略可有效地提高超级电容的利用率,增大储能装置的节能量,降低地铁系统的运行能耗。
近年来，越来越多的储能装置被安装到城轨牵引供电系统中用来回收列车再生制动能量及稳定牵引网电压。可用于城轨交通的储能元器件有电池、飞轮和超级电容等。超级电容以其大功率密度、百万次的循环寿命等优点逐渐成为主流，基于超级电容的储能装置已在世界多条城轨线路上得到了应用。
庞巴迪的研发的Mitrac energysaver，使用1kW·h超级电容，最大功率达到300kW。西门子公司的SITＲAS-SES，储能量为2.5 kW·h，峰值功率为700kW，已在波鸿、科隆、德雷斯顿、马德里和北京全天候运行。
已有许多学者对储能装置应用方面的相关问题开展了广泛而深入的研究。其中，文献［7］提出了一种考虑列车速度、加速度和超级电容SOC的车载式储能装置的能量管理策略，可有效减少列车再生制动时再生制动能量对牵引网电压的冲击而无需预先定义车辆运行数据。但是文章的分析和建模只考虑了单列车。
文献［8］提出了利用非线性规划确定地面式储能装置基本特性参数的方法，并且在设计中考虑了列车运行的随机性，但是并未给出具体的优化流程。
文献［9］提出了在储能装置和列车间存在通信的条件下，地面式储能装置的能量管理策略，这种能量管理策略根据列车牵引力和加速度预测每次制动下储能装置可回收的最大动能。
文献［10］设计了基于牵引网电压和储能装置SOC的储能装置功率流控制器，并且根据牵引网电压对储能装置的工作区间进行了划分，但是所提出的控制策略在超级电容SOC的边界存在振荡问题。
文献［11］提出了基于牵引网电压和超级电容电流的双闭环控制策略，并给出了控制参数的设计方法，但是并未考虑超级电容的时间常数对控制系统的影响。
上述文献并未考虑到储能装置与列车制动电阻的协调控制问题。实际上，城轨列车制动时，制动能量应首先被临近牵引列车吸收，但是制动功率和牵引功率并不时时匹配，当牵引功率大于或等于制动功率时，制动功率可以完全被牵引列车吸收，这时牵引网电压稳定。当牵引功率小于制动功率时，存在剩余再生制动功率，这部分功率的流向可以是超级电容或制动电阻消耗。
无论超级电容装置还是制动电阻，其吸收或消耗的能量都是可控的。合理的控制策略应当是，剩余再生制动功率优先由超级电容吸收，当超级电容无法吸收时，才由制动电阻消耗。不合理的控制策略将导致过多的剩余再生制动能量消耗在制动电阻上，造成超级电容配置容量的浪费。所以，合理地设计超级电容的控制策略至关重要，这正是本文讨论的重点。
因此，本文提出了一种储能装置控制策略，该控制策略可根据列车状态调整储能装置的充电指令，从而调整超级电容的充电功率，最大化地利用超级电容的配置容量。
首先，本文建立了牵引供电系统各部分模型，分析了列车制动电阻的运行特性。其次，分析了列车再生制动时超级电容和制动电阻能量分配的影响因素，由此提出了以储能装置充电阈值作为控制变量并考虑列车状态的超级电容控制策略，分析了所提出的控制策略与电压电流双闭环控制策略结合的可行性。最后，利用北京地铁八通线梨园站兆瓦级超级电容储能装置进行了现场的实验，证明了所提出的控制策略的合理性和有效性。
图5 MW级超级电容储能装置
图6 兆瓦级储能装置电气结构图
结论
本文建立了包含地面超级电容储能装置和城轨列车制动电阻模型在内的城轨牵引供电系统模型。通过此模型分析了储能装置和制动电阻在牵引网中的运行特性，储能装置和制动电阻将列车制动区间划分为两个区域，即储能装置单独工作区和混合工作区。然后给出了解析的储能装置控制策略对牵引网损耗和制动电阻损耗的影响，分析表明，制动电阻起动点为总损耗的转折点。
为了使储能装置达到最佳节能效果，本文提出了考虑列车运行状态的储能装置控制策略，通过列车实时功率，位置数据动态调整储能装置所需的充电电压。现场实验表明，在改进型的控制策略下，可实现总充电能量回收25. 3kW·h/1000s。
因此，相对于传统的控制策略，采用所提出的改进型控制策略可有效提高储能装置的充电功率，总充电能量变为原来的1.77倍，有效地提高了超级电容的利用率，降低地铁系统的运行能耗。