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近年來，城軌列車發(fā)展迅猛，給人們的出行帶來了很大的方便。但是城軌列車頻繁的啟動與制動狀態(tài)會導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓的起伏，不利于列車的安全運(yùn)行，并且會嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。因此，需要配備一些儲能設(shè)施來解決這些問題。目前，應(yīng)用于城軌列車的儲能設(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。單一的儲能元件無法同時滿足系統(tǒng)對于高功率和高能量的需求，因此需要采用由蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，彌補(bǔ)兩者的不足?；诨旌蟽δ艿某擒壛熊囘\(yùn)行系統(tǒng)的如圖 1 所示。
圖 1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2、創(chuàng)新點(diǎn)及解決的問題
列車頻繁的啟動與制動狀態(tài)導(dǎo)致直流牽引網(wǎng)與儲能系統(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，濾波時間常數(shù)是固定的，但是由于負(fù)載功率、超級電容和蓄電池的 SOC 的實時變化，使用固定的濾波時間常數(shù)不能充分發(fā)揮各儲能元件的優(yōu)點(diǎn)，因此可以利用超級電容的 SOC 對濾波時間常數(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，還能夠延長儲能元件的使用壽命，并且能將城軌列車的回饋能量收集起來，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能系統(tǒng)的工作原理 。城軌列車在運(yùn)行中會經(jīng)歷三個過程：勻速、加速和減速。
（1）當(dāng)城軌列車處于勻速狀態(tài)時，直流牽引網(wǎng)電壓基本保持不變，此時直流牽引網(wǎng)和超級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，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，對電感 L 1 、L 2 進(jìn)行充電，然后超級電容和蓄電池與 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 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，電機(jī)制動產(chǎn)生反饋能量，此時牽引網(wǎng)通過開關(guān)管 S 1 、S 3 對超級電容和蓄電池進(jìn)行充電，不但可以避免牽引網(wǎng)電壓升的過高，還可以將能量儲存起來為下一次加速做準(zhǔn)備，此時 DC/DC 變換器工作在 Buck 模式下。然后介紹了混合儲能系統(tǒng)的能量管理策略。在進(jìn)行能量管理時需要先對功率進(jìn)行解耦，這樣就可以由超級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，文章采用由超級電容的 SOC 控制低通濾波器的時間常數(shù)來確定各自的目標(biāo)功率的方法。濾波時間常數(shù)和超級電容 SOC 的關(guān)系如圖 2 所示。
圖 2 基于超級電容 SOC 和濾波時間常數(shù)的關(guān)系圖
Fig.2 Relationship diagram between SOC of super capacitor and filter time constant
（1）當(dāng)超級電容的 SOC 處于[0，SOC min ]時，濾波時間常數(shù) T 修正為 0，則超級電容不再進(jìn)行放電，完全由蓄電池放電來維持直流牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，同時為了保護(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)超級電容的SOC處于[SOC min ，SOC 1 ]時，按照圖 3 中Ⅰ段所示對濾波時間常數(shù)進(jìn)行修正，此時隨著超級電容SOC值的減小，濾波時間常數(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)超級電容的SOC等于最小值SOC min時，濾波時間常數(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，避免了超級電容的過放；
（3）當(dāng)超級電容的SOC處于[SOC 1 ，SOC 2 ]時，濾波時間常數(shù)不變，為給定的初始值T 0 ，此時超級電容和蓄電池都能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢；
（4）當(dāng)超級電容的SOC處于[SOC 2 ，SOC max ]時，按照圖 3 中Ⅲ段所示對濾波時間常數(shù)進(jìn)行修正，此時隨著超級電容SOC值的增大，濾波時間常數(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)超級電容的SOC處于 [SOC max ，100%]時，濾波時間常數(shù)T修正為 0，此時超級電容不再進(jìn)行充電，完全由蓄電池來吸收多的制動能量，同時為了避免蓄電池短時間的過流，令參考功率P ref-in 等于蓄電池的最小輸入功率。
濾波時間常數(shù)修正關(guān)系如下：
（1）
通過對濾波時間常數(shù)的修正，蓄電池和超級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)行仿真驗證改進(jìn)策略的有效性。
4、結(jié)論
針對城軌列車在運(yùn)行過程中對直流牽引網(wǎng)電壓造成的沖擊，文章研究了由超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)，并提出了基于超級電容 SOC 控制濾波時間常數(shù)的低通濾波法來分配功率的策略。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)城軌列車的實際運(yùn)行狀態(tài)以及儲能元件的使用情況對其進(jìn)行合理的功率分配。同時，還可以避免超級電容和蓄電池出現(xiàn)過充、過放的情況，超級電容對高頻功率的響應(yīng)也避免了蓄電池遭受較大沖擊，延長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能系統(tǒng)的能量管理策略[J]. 儲能科學(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.
圖 1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2、創(chuàng)新點(diǎn)及解決的問題
列車頻繁的啟動與制動狀態(tài)導(dǎo)致直流牽引網(wǎng)與儲能系統(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，濾波時間常數(shù)是固定的，但是由于負(fù)載功率、超級電容和蓄電池的 SOC 的實時變化，使用固定的濾波時間常數(shù)不能充分發(fā)揮各儲能元件的優(yōu)點(diǎn)，因此可以利用超級電容的 SOC 對濾波時間常數(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，還能夠延長儲能元件的使用壽命，并且能將城軌列車的回饋能量收集起來，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能系統(tǒng)的工作原理 。城軌列車在運(yùn)行中會經(jīng)歷三個過程：勻速、加速和減速。
（1）當(dāng)城軌列車處于勻速狀態(tài)時，直流牽引網(wǎng)電壓基本保持不變，此時直流牽引網(wǎng)和超級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，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，對電感 L 1 、L 2 進(jìn)行充電，然后超級電容和蓄電池與 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 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，電機(jī)制動產(chǎn)生反饋能量，此時牽引網(wǎng)通過開關(guān)管 S 1 、S 3 對超級電容和蓄電池進(jìn)行充電，不但可以避免牽引網(wǎng)電壓升的過高，還可以將能量儲存起來為下一次加速做準(zhǔn)備，此時 DC/DC 變換器工作在 Buck 模式下。然后介紹了混合儲能系統(tǒng)的能量管理策略。在進(jìn)行能量管理時需要先對功率進(jìn)行解耦，這樣就可以由超級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，文章采用由超級電容的 SOC 控制低通濾波器的時間常數(shù)來確定各自的目標(biāo)功率的方法。濾波時間常數(shù)和超級電容 SOC 的關(guān)系如圖 2 所示。
圖 2 基于超級電容 SOC 和濾波時間常數(shù)的關(guān)系圖
Fig.2 Relationship diagram between SOC of super capacitor and filter time constant
（1）當(dāng)超級電容的 SOC 處于[0，SOC min ]時，濾波時間常數(shù) T 修正為 0，則超級電容不再進(jìn)行放電，完全由蓄電池放電來維持直流牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，同時為了保護(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)超級電容的SOC處于[SOC min ，SOC 1 ]時，按照圖 3 中Ⅰ段所示對濾波時間常數(shù)進(jìn)行修正，此時隨著超級電容SOC值的減小，濾波時間常數(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)超級電容的SOC等于最小值SOC min時，濾波時間常數(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，避免了超級電容的過放；
（3）當(dāng)超級電容的SOC處于[SOC 1 ，SOC 2 ]時，濾波時間常數(shù)不變，為給定的初始值T 0 ，此時超級電容和蓄電池都能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢；
（4）當(dāng)超級電容的SOC處于[SOC 2 ，SOC max ]時，按照圖 3 中Ⅲ段所示對濾波時間常數(shù)進(jìn)行修正，此時隨著超級電容SOC值的增大，濾波時間常數(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)超級電容的SOC處于 [SOC max ，100%]時，濾波時間常數(shù)T修正為 0，此時超級電容不再進(jìn)行充電，完全由蓄電池來吸收多的制動能量，同時為了避免蓄電池短時間的過流，令參考功率P ref-in 等于蓄電池的最小輸入功率。
濾波時間常數(shù)修正關(guān)系如下：
（1）
通過對濾波時間常數(shù)的修正，蓄電池和超級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)行仿真驗證改進(jìn)策略的有效性。
4、結(jié)論
針對城軌列車在運(yùn)行過程中對直流牽引網(wǎng)電壓造成的沖擊，文章研究了由超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)，并提出了基于超級電容 SOC 控制濾波時間常數(shù)的低通濾波法來分配功率的策略。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)城軌列車的實際運(yùn)行狀態(tài)以及儲能元件的使用情況對其進(jìn)行合理的功率分配。同時，還可以避免超級電容和蓄電池出現(xiàn)過充、過放的情況，超級電容對高頻功率的響應(yīng)也避免了蓄電池遭受較大沖擊，延長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能系統(tǒng)的能量管理策略[J]. 儲能科學(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.
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