北京交通大学YLLAB研究团队提出一种基于等效面积法的车载储能装置控制策略

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在我国积极推进“碳达峰·碳中和”目标的大背景下，利用车载储能装置高效回收城轨列车的再生制动能量成为近年来的研究热点，其中的一个关键问题是储能装置的控制策略。然而，现有的控制策略无法给出特定工况下最优控制策略的解析解，不能充分发挥车载储能装置的节能作用。针对上述问题，北京交通大学电气工程学院YLLAB研究团队提出一种基于等效面积法的车载储能装置控制策略，在给出控制策略解析解的同时，有效提升了储能装置的充放电量，节能效果显著。

研究背景

近年来，随着储能技术及电力电子技术的发展，利用储能装置高效回收城轨列车的再生制动能量，成为降低城市轨道交通系统总能耗的有效手段之一。其中，利用车载储能装置取代原有车载制动电阻的方案，不仅可以有效避免投入车载制动电阻的各种弊端，还可以使储能装置更好地匹配列车的运行特性，消除能量传输时线路电阻引起的损耗，高效回收列车再生制动能量。因此，该方案具有很好的应用前景。

图1 车载储能装置分散安装示意图

论文所解决的问题及意义

传统的基于网压或者人工智能算法的控制策略虽然可以使车载储能装置制动能量具有一定的回收效果，但是却存在忽略了储能元件自身充放电特性、模型建立复杂、难以求解最优策略的解析解等问题。

为此，本文提出基于等效面积法的车载储能装置控制策略，将储能装置的充放电问题转换为最优化列车及超级电容功率曲线所围面积的数学问题。该策略从列车的牵引制动特性出发，不仅充分考虑了储能元件的充放电特性，而且模型简单、计算量小、且易于求解得到最优控制策略的解析解，从而可以充分发挥储能装置的充放电能力。

论文方法及创新点

车载储能装置在列车牵引时进行放电，在列车制动时进行充电。本文将列车功率曲线分割为“制动”+“牵引”两部分，对储能装置的充放电过程分别进行研究。

1、充电控制策略

当t＜t1时，列车的制动功率大于超级电容的充电功率，此时系统属于“供大于求”的阶段；当t1＜t＜t2时，列车的制动功率小于超级电容的充电功率，此时系统属于“供小于求”的阶段。为了保证最优的节能效果，在列车制动过程中，超级电容应尽可能地多充电。换言之，应选取合适的初始电压 uC1及充电电流 i，使图2中超级电容的充电功率曲线 f1与列车制动功率曲线 y1围成的面积最大。

图2 制动过程中列车及超级电容的功率曲线

2、放电控制策略

对于放电过程而言，超级电容的初始及截止电压均已确定。因此放电策略设计的目标便是选取合适的放电电流 i，使超级电容在列车牵引结束时的电压为前述优化求解得到的制动阶段初始电压 uC1。运用面积等效的思想，上述目标即为使图3中阴影部分的面积S等于超级电容在列车牵引阶段释放的电量。

图3 牵引过程中列车及超级电容的功率曲线

结论

针对利用车载储能装置回收城轨列车再生制动能量的问题，本文提出了一种基于等效面积法的控制策略。为了保证最优的节能效果，将储能装置的充电策略转换为最大化列车及超级电容功率曲线所围面积的最优化问题，而放电策略目标是使超级电容的电压在列车牵引结束时达到前述求解得到的最优值。算例分析结果表明，相较于传统的基于网压的双环PI控制策略，本文所提的基于等效面积的控制策略可以进一步提升储能装置的充放电量，节能效果显著。

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，在该方向发表高水平论文30余篇，发明专利20余项，获得“第二十八届全国发明展览会”金奖，并在教育部开展的专利导航调研中位于全国前列。

此外，该团队完成了若干产业转化项目，其中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。该项目入选了《国家重点推广的低碳技术目录》以及北京市《先进低碳技术优秀项目》，并获得了国家发改委“双十佳”(最佳节能技术和最佳节能实践)的评选以及中国研究生“双碳”创新与创意大赛全国季军。

本工作成果发表在2025年第3期《电工技术学报》，论文标题为“基于等效面积法的车载制动能量回收装置控制策略“。本课题得到国家重点研发计划项目的支持。

引用本文

米佳雨, 杨中平, 钟志宏, 林飞, 邵一晨. 基于等效面积法的车载制动能量回收装置控制策略[J]. 电工技术学报, 2025, 40(3): 975-986. Mi Jiayu, Yang Zhongping, Zhong Zhihong, Lin Fei, Shao Yichen. Optimal Control of On-Board Supercapacitor Energy Storage Systems for Regenerative Braking Energy Recovery Based on Area-Equivalent Principle. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(3): 975-986.

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