北京交通大学钟志宏、李炎 等：基于牵引网电压和空载电压的多储能系统区间能量管理策略

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近年来，随着“双碳”政策的推动，储能技术在城市轨道交通中的应用愈发广泛，呈现出点到线的发展趋势。当一条线路中有多站安装储能装置时，想要进一步提升储能系统的节能效果，必须要解决不同站储能装置的充放电策略个性化设计，以及多储能装置间的协调控制这两个问题。因此，北京交通大学YLLAB团队提出一种基于实时牵引网电压和空载电压的多储能系统区间能量管理策略。 该策略基于多个牵引变电站的空载电压和牵引网电压，对能量管理区间内的列车状态和列车剩余功率进行辨识，并基于此计算区间内储能装置的充放电阈值基准值初值，以及基准值变化的斜率。为进一步提升节能和稳压效果，该策略基于充放电周期、牵引网电压超限频次、以及储能系统的荷电状态（SOC）等参数，对基准值及其更新斜率进行实时校正。该策略在北京地铁的实际线路中进行了验证并取得了很好的效果。

研究背景

当前，城市轨道交通在人们日常出行中的重要性不断提升，其路网规模也持续扩大。截至2023年底，我国内地城轨运营里程已达到11224.54 km，总能耗为249.77亿kW·h，其中列车牵引能耗约占总能耗的50%，列车的制动能量约占牵引能耗的30%～60%。在制动能量中，一部分被邻近的牵引列车吸收，另一部分则被消耗在制动电阻上。根据统计数据，消耗在制动电阻上的制动能量约占总制动能量的30%～50%。因此，若能有效吸收和利用该部分能量，将能够显著降低城市轨道交通的能耗，加快实现“碳达峰、碳中和”的进程。

论文所解决的问题及意义

针对目前的城市轨道交通再生能量吸收利用系统，其策略存在三个普遍性问题：

（1）车辆、牵引变电所等实时数据获取存在困难。

（2）未充分考虑不同车站之间空载电压差异。

（3）现有的协调控制策略缺乏有效的可行性论证。

针对上述问题，本文提出了一种分布式区间能量管理策略。通过将相邻的两套储能系统配置为一个分布式单元，来管理4个牵引变电站区间的列车牵引和制动能量。

该策略基于易于测量的牵引网电压和10 kV互感器输出电压，对区间内的列车实时状态和功率进行辨识，并基于实时辨识的列车剩余功率决定两套储能系统的充放电阈值。

在此基础上，为了进一步提升节能稳压等效果，基于各站的网压状态、充放电时间间隔、储能装置状态等信息，对充放电阈值的基准值进行实时调整。实验数据显示，与基于本站空载电压的动态阈值策略相比，本研究提出的区间能量管理策略在节能和稳压等方面均展现出了显著的优势。

论文方法及创新点

1、多储能系统区间能量管理架构

鉴于集中式能量管理架构在实际应用中常见的问题，如单点负载过重、系统容错能力不足以及维护性差等缺陷，本研究借鉴分布式系统架构的优势，提出了一种区间能量管理架构。该架构旨在通过分散式控制和区间内的协调管理，提高系统整体的鲁棒性与容错性，以符合复杂能量系统的运行需求。

假设一条线路共有k个牵引变电站安装了储能装置，标记为S1, S2, S3,…,Sk-1, Sk。m个相邻的牵引变电站的储能装置为一组，线路总共分为ceil(k/m)组，每组管理n个相邻的牵引变电站所包含的区间。考虑到列车能量的传输距离一般为2～3 km，也就是一个相邻站间的距离，因此，令每组的能量管理范围为储能装置安装范围的首尾各自拓展一站，即n=m+2。

以图1所示区间能量管理构架示意图为例，令m=2，Si～Si+5为相邻的6个牵引变电站且都安装储能装置，Si+1和Si+2的储能装置为一组，管理区间为Si～Si+3的整个区间；Si+3和Si+4的储能装置为一组，管理区间为Si+2～Si+5的整个区间。

图1 区间能量管理架构示意图

2、基于空载电压和牵引网电压的能量管理策略

如图2所示为本文提出的区间能量管理策略示意图。首先，高空载电压站和低空载电压站的数据进行交互后，对区间内的列车状态进行判断，并基于辨识的列车功率确定初始基准值和初始斜率。其次，基于对优化目标函数的在线计算，对基准值的变化斜率进行实时校正，进而以基准值±滞环电压值确定充放电阈值。

具体地，高空载电压站和低空载电压站的初始基准值均设置为高压站的空载电压值，当列车处于制动工况下，为了保证不发生环流的同时，限制牵引网电压的最大值，需要将基准值按照一定斜率下降。当列车处于牵引状态下时，由于列车牵引功率越大，牵引网电压越低，因此，在储能装置能够在将所储存能量完全释放的前提下，在牵引网电压越低时开始启动，降低峰值牵引功率的效果越好。

图2 区间能量管理策略流程

结论

本文所提策略在北京地铁八通线的通州北苑站和八里桥站两套MW级储能系统上进行了实际应用验证。实验结果显示，在工作日，该区间能量管理策略能够实现14.4%的节能率以及35.25%的稳压率，相较于现有的基于本站空载电压的动态阈值能量管理策略，节能率和稳压率分别提升了5.4%和9.05%，证实了本策略的显著效用。

团队介绍

YLLAB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和林飞教授，实验室网站为www.yllab.com。本团队自2007年开始从事城轨交通储能与节能技术研究。近五年来，在列车节能方向发表高水平论文20余篇，发明专利20余项，完成了若干产业转化项目。2020年，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，并在八通线梨园站顺利挂网；2023年，成功实现了国内首条再生能源利用装置的全线示范应用，并在八通线挂网运行。

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。

李炎

博士研究生，主要方向为城市轨道交通节能技术、强化学习算法等。

米佳雨

博士研究生，主要研究方向为城市轨道交通节能技术、潮流解析算法等。

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“基于牵引网电压和空载电压的多储能系统区间能量管理策略“。

引用本文

钟志宏, 李炎, 米佳雨, 林飞, 杨中平. 基于牵引网电压和空载电压的多储能系统区间能量管理策略[J]. 电工技术学报, 2024, 39(15): 4583-4598. Zhong Zhihong, Li Yan, Mi Jiayu, Lin Fei, Yang Zhongping. Interval Energy Management Strategy for Multiple Energy Storage Systems Based on Traction Network Voltage and No-Load Voltage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(15): 4583-4598.

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