北京交通大学等单位金勇、黄先进 等：城市轨道交通地面储能技术应用综述

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为解决城轨交通线网规模扩大带来的牵引能耗加重问题和再生制动能量利用问题，来自北京交通大学的金勇、黄先进、钟志宏、林飞和杨中平与中国铁道科学研究院标准计量研究所的石春珉，通过回顾目前吸收城轨交通再生制动能量的常见方式，着重对其中的能量存储技术展开综述。 该文针对地面储能系统，对城轨储能领域常用储能介质的特性、储能变流器拓扑的特点以及常用的能量管理策略进行对比分析，并结合实际案例分析储能系统和城轨需求的适应性和匹配性，最后从储能系统设计和能量管理的再优化对城轨储能系统的研究热点和未来发展提出展望。

研究背景

近年来，我国城市轨道交通（以下简称“城轨交通”）路网规模持续扩大，截至2022年，全国累计55个城市开通了轨道交通，运营里程总计10291.95 km，电能消耗达到了227.92 亿 kW·h，其中牵引能耗占比接近50%，牵引能耗部分中的再生制动能量大约占据30%～60%，传统方式通过制动电阻直接吸收，这种方式会额外产生能量浪费和隧道温升等问题，作为吸收再生制动能量的常见方式之一，能量存储技术对于实现城轨交通绿色节能运行有着重大研究意义和发展前景。

论文所解决的问题及意义

本文针对如图1所示的城轨交通地面储能系统，从其中的储能介质方案、能量变换方案和能量管理方案出发，详细调研分析其在城轨中的最新应用情况，梳理各部分的技术特点和运行特性，最后展望城轨交通储能系统的发展方向和研究热点，为城轨交通储能体系提供更多的理论指导和方法实践。

图1 城轨交通地面储能系统基本组成框图

综述要点

1、储能介质

对城轨交通储能系统的储能介质包括电池、超级电容和飞轮等进行文献综述，对比各自的特性和应用情况，并以北京地铁八通线为例，阐述在选择储能介质是如何考虑城轨实际需求的，实现两者之间的适应性。

2、储能变流器拓扑

对常用的双向AC/DC拓扑（用于飞轮储能）和双向DC/DC拓扑（用于电池储能和超级电容储能）的不同特点进行比较，并阐述在选择具体拓扑时需要考虑线路的供电制式、功率等级需求和输出指标的要求等方面，实现变流器拓扑和城轨需求的匹配性。

3、能量管理策略

对城轨交通常用的基于阈值的策略（包括固定单阈值、固定多阈值、阈值动态调节）和基于功率分配的策略（包括基于比例、基于滤波）进行详细论述，对比各自的考虑因素、应用场景、特点。

研究展望

1、储能系统设计的再优化

（1）储能介质选取的再优化：储能系统对功率、SOC、温度等方面要求较高，也需根据列车运行图、牵引制动特性曲线等动态调整储能系统工况，如何将其充分契合、实现节能最大化、成本最小化；针对目前常采用不同种类储能介质实现性能互补，若有一种储能介质将两者的优点结合在一起，会产生更好效果，有更好的应用前景。

（2）储能变流器性能的再提升：以SiC和GaN为代表的新一代宽禁带电力电子器件应用在城轨储能变流器中，可减小开关损耗和变换器体积；同时目前变换器呈现高频化趋势，未来可在储能系统中应用高频化技术，研发新型高频非隔离双向DC-DC储能变流器。

2、储能系统能量管理策略的再优化

（1）“源、网、储、车”的管理模式

随着新能源发展日趋迅速，将光伏等新能源纳入城市轨道交通的案例也越来越多，加入能馈系统、地面和车载储能系统、光伏新能源的牵引供电系统，需保证源和网的稳定性和运行间歇波动等工况，形成“源、网、储、车”的能量高效协调管理。

（2）能量管理系统的应用升级

针对目前应用最多的能量管理策略基本都基于固定阈值，各变电站采用站点级-装置级的两级管理。未来可考虑拓宽能量管理系统，形成中央级—站点级—装置级的三级管理，结合集中式与分布式控制，中心级整体集中协调优化，站点级布式协调。

团队介绍

本课题研究团队隶属于北京交通大学电气工程学院电力电子研究所，团队负责人为杨中平教授，博士生导师，自2007年开始从事城轨交通储能与节能技术研究。近五年来，在列车储能、节能方向发表论文共计20余篇，SCI检索8篇；EI 检索12篇。获得授权发明专利10余项，正在申请的发明专利20余项，软件著作权4项，部分成果已得到实际工程应用。

独立研发了国内首套200kW城轨地面式超级电容储能系统，在北京地铁八通线完成了试验验证。基于“十三五”国家重点研发计划课题“轨道交通系统能耗过程解耦与能效提升关键技术”，研发了国内首套 MW 级城轨交通地面式超级电容与钛酸锂电池混合储能系统，2020年在北京八通线完成了试验运行。完成了国内首条再生能利用装置的全线示范应用，2024年在北京地铁八通线完成了挂网运行。

金勇

博士研究生，主要研究方向为城轨交通储能节能技术。

黄先进

副教授，博士生导师，主要研究方向为电能变换与存储、变流器控制技术、半导体器件驱动与保护技术等。

石春珉

工程师，中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所副主任，主要研究方向为轨道交通机车车辆及地面设备检验检测。

钟志宏

博士后，主要研究方向为城市轨道交通储能节能技术、牵引传动技术等。

林飞

教授，博士生导师，主要研究方向为牵引变流器、轨道交通能量管理以及基于电力电子设备的数字控制等。

杨中平

教授，博士生导师，主要研究方向为轨道交通电力牵引传动、节能技术、高速列车系统优化设计等。

本工作成果发表在2024年第15期《电工技术学报》，论文标题为“城市轨道交通地面储能技术应用综述“。本课题为北京市科技计划课题资助项目。

引用本文

金勇, 黄先进, 石春珉, 钟志宏, 林飞, 杨中平. 城市轨道交通地面储能技术应用综述[J]. 电工技术学报, 2024, 39(15): 4568-4582. Jin Yong, Huang Xianjin, Shi Chunmin, Zhong Zhihong, Lin Fei, Yang Zhongping. Review on Wayside Energy Storage Technology for Urban Rail Transit. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(15): 4568-4582.

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