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

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,以及多储能间协调控制这两个问题。因此,该文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,基于此计算区间内储能装置的充放电阈值基准值初值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。该文在北京地铁的实际线路中进行了验证,结果表明,相较于基于本站空载电压的能量管理策略,提出的策略在降低系统能耗和稳定牵引网电压方面都具有显著的改善效果。

城市轨道交通地面储能技术应用综述

我国城市轨道交通路网规模的不断扩大,导致牵引能耗加重问题和再生制动能量利用问题越来越受到重视。将储能技术应用在城市轨道交通中,可以平抑牵引网压波动、吸收再生制动能量、降低牵引能耗,也为接入新能源带来了契机。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进行对比分析,展示城轨领域的应用现状,并结合实际案例分析储能介质和城轨需求的适应性;针对不同类型储能变流器常用电路拓扑进行研究,对比不同拓扑的工作特性和特点,分析变流器拓扑和城轨需求的匹配性;调研城轨储能系统常用的能量管理策略,研究不同策略的特点;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,为城轨储能系统规范化、高效化、简约化提供参考。

城市轨道交通供电-牵引-混合储能系统设计与仿真

为了进一步提高城市轨道交通列车再生制动能量的回收与利用效率,通过对系统功能需求分析,设计一种基于分布式地面混合储能城市轨道交通列车牵引供电系统结构,建立供电网络、列车牵引和储能系统模型。同时针对低通滤波方式导致锂电池和超级电容出现大量功率交换的问题,提出带超级电容补偿的阶梯功率分配法,该方法运算量小且实时性强,能够避免混合储能系统内部功率循环。结合所提模型和策略,利用MATLAB/Simulink进行仿真试验,仿真结果表明混合储能系统能量利用效率提高了1.39%,稳压率提高了12.75%,节能率提高了6.72%。

城轨混合储能系统能量管理策略研究现状

城市轨道交通再生制动能量的利用一直是一个研究热点。围绕如何高效利用再生制动能量、平稳电压波动等问题,系统地论述了混合储能系统在轨道交通领域能量管理策略的研究进展。将目前混合储能系统比较常用的能量管理策略分为基于规则的能量管理策略、基于优化的能量管理策略以及基于人工智能的能量管理策略三类策略进行分类分析,总结优缺点,最后结合混合储能系统的效率、性能、寿命以及人工智能技术的发展,分析其未来发展方向。

飞轮储能装置在轨道交通中的应用研究

城市轨道交通中列车频繁启动制动,制动能量大,网压波动大,有些线路存在钢轨电位严重的问题。飞轮储能装置具有功率大、响应速度快、寿命长等特点,可以对再生制动能量在直流侧进行即收即用,节能效果好,能稳定网压波动。由于飞轮储能装置的接入可以实现多点回流、缩短电流回流路径,故对钢轨电位也有改善效果。文章分别就既有线路和新建线路,考虑牵引所空间限制、储能装置平均功率峰值、节能效果等因素,说明了飞轮储能装置的容量配置方法并针对实际案例进行容量配置说明。为使飞轮储能装置的控制策略灵活应对地铁线路的复杂工况,设置节能、稳压、网压支撑、钢轨电位治理、应急电源五种工作模式。通过飞轮储能装置在实际工程的应用案例验证了飞轮储能装置具有良好的稳压效果,平均节能率为11.36%~17.28%,全功率响应频次为31次/h,且经试验验证飞轮储能装置具有应急电源功能。

城市轨道交通同相储能供电系统的节能运行优化策略

[目的]针对广州地铁18号线采用的组合式同相供电装置,为了解决同相牵引供电系统中存在的再生制动能量利用率低的问题,需对同相储能供电系统的节能运行优化策略进行研究。[方法]以牵引变电所的日电费成本最低为目标,平衡节点功率,以供电装置与储能装置运行特征为约束,建立了同相储能供电系统节能优化模型。以广州地铁18号线某牵引变电所负荷过程实测数据为依据,对城市轨道交通牵引负荷过程进行分析,利用CPLEX商业规划求解器对该模型求解,最终获得同相储能系统最优能量管理方案。[结果及结论]超级电容接入组合式同相供电装置直流环节的储能供电系统,通过超级电容对牵引负荷的削峰填谷作用,能提高牵引供电系统再生制动能量利用率,减小城市轨道交通运营商的电费成本。试验结果表明,相比传统的同相供电系统,采用接入超级电容的同相储能供电系统可使得再生制动能量利用率达到92.88%,使日电费成本降低9.65%,节能效果显著。

基于机会约束规划的含电动汽车市域铁路牵引供电系统优化运行

市域铁路为市区和郊区提供了便捷通道,沿线车站不仅可实现电动汽车停车换乘,也为电动汽车接入铁路牵引供电系统提供了友好接口。为了提升列车再生制动能量利用率,降低市域铁路运营成本,本文提出了一种含电动汽车的同相牵引供电系统优化运行模型,以牵引变电所日电费成本最低为目标,优化电动汽车和超级电容的充放电策略、牵引变电所功率调控策略。为应对电动汽车到达时间、离开时间和初始荷电状态的不确定性,使用机会约束规划,利用概率约束代替传统确定约束,保证电动汽车充电方案满足驾驶要求的置信水平高于预定的置信水平。使用样本均值法将机会约束转换为确定性约束,得到混合整数线性规划模型,然后采用CPLEX求解器求解。仿真分析表明,提出的模型可以有效降低牵引变电所日电费20.37%,体现出了电动汽车在参与牵引供电系统负荷调节中具有良好的灵活性,有效提高了系统的运行经济性。

采用储能式车辆的城市轨道交通列车运行图分析

储能式轨道交通车辆采用车载储能介质,无需架空接触网等额外供电设施,可以降低高架线路的景观影响及工程投资,在低运量的城市轨道交通线路上拥有较大优势,但其采用的储能式动力方式会对行车组织产生特殊影响。对于采用蓄电池储能式车辆并在停车场集中充电方式的轨道交通线路,分析其对轨道交通公交化、高频率、安全性运营组织的影响因素;在考虑这些影响因素的情况下,提出列车运行图铺画时的约束条件,主要有运用车数、高峰小时列车对数、全日列车运行计划、折返时间、区间运行时分、停站时间、车辆段场出入时分、停车场分布及功能、停车场股道及列位等,以及运行能耗、车载电池容量、充电时间、出入停车场次序等。最后以衡阳胶轮有轨电车示范线项目为例,对储能式城市轨道交通车辆的列车运行图进行深入分析,并对运行图指标进行总结,提出优化措施,研究成果可为同类项目的设计研究提供参考。

超级电容器在城市轨道车载储能系统中的应用

随着城市轨道交通系统的不断发展,再生制动技术成为节能减排的关键手段之一。通过探讨超级电容器在城市轨道车载储能系统中的应用,以应对城市轨道交通系统中能量管理和再生制动的挑战。分析城市轨道交通系统中再生制动技术的重要性和我国城轨供电系统的电压标准与储能要求,探讨超级电容器的工作机制和特性,并阐述其在城市轨道车载储能系统中的应用方法,包括超级电容器组控制和制动电阻控制。通过对超级电容器的合理应用,可以有效提高能源利用效率,减少能量浪费,为城市轨道交通系统的可持续发展做出贡献。

A Markov Model for Subway Composite Energy Prediction

Electric vehicles such as trains must match their electric power supply and demand,such as by using a composite energy storage system composed of lithium batteries and supercapacitors.In this paper,a predictive control strategy based on a Markov model is proposed for a composite energy storage system in an urban rail train.The model predicts the state of the train and a dynamic programming algorithm is employed to solve the optimization problem in a forecast time domain.Real-time online control of power allocation in the composite energy storage system can be achieved.Using standard train operating conditions for simulation,we found that the proposed control strategy achieves a suitable match between power supply and demand when the train is running.Compared with traditional predictive control systems,energy efficiency 10.5%higher.This system provides good stability and robustness,satisfactory speed tracking performance and control comfort,and significant suppression of disturbances,making it feasible for practical applications.

储能技术在轨道交通再生制动能量回收的应用

城市轨道交通领域能源消耗量大,既是碳排放的重要来源,也是推动绿色能源发展、实现双碳战略目标的关键领域。轨道交通储能技术不仅能够大规模吸收再生制动能量、提高列车的能量利用率,也能够促进可再生能源就近消纳、拓展轨道交通多种能源供应,是实现轨道交通节能、减排、洁净能源的有效利用等“绿色低碳”可持续发展战略目标的有效途径。本文阐述了可再生能源在轨道交通领域的应用方式及意义,分析了逆变回馈型和储能型再生制动能量回收技术及应用实例,通过梳理各类储能技术在轨道交通再生制动能量回收领域的应用特点,提出兼具高能量密度、高功率密度和长寿命的储能技术是该领域应用的核心。最后提出一种基于储能技术的交通能源互联互通基本体系架构,通过“源-网-荷-储”协同规划分析了“轨道交通-储能系统-电动汽车”和“轨道交通-储能系统-可再生能源”两类能源调度模式。

城轨列车车载储能系统功率需求的动态模糊优化控制方法研究

针对城轨列车复合储能系统中超级电容与锂电池联合供电的功率分配问题,提出了一种考虑系统功率需求的多元化输入的模糊能量控制方法.为了更好地解决车载储能系统非线性和能量的控制问题,以城轨列车的需求功率、车载储能系统的锂电池和超级电容SOC、锂电池功率分配系数为输出,建立多输入单输出的车载储能模糊控制器,对车载复合储能系统进行建模和仿真.通过利用Simulink进行仿真,结果表明:该模糊控制器能够较好地分配能量,满足列车运行中的功率需求,减少大电流对锂电池的冲击,提高锂电池的循环利用次数,有利于提高列车运行的稳定性和舒适性.

城市轨道交通飞轮储能系统控制策略研究

为了解决城轨列车频繁牵引、制动造成的网压波动和能量浪费问题,针对应用于城市轨道交通的飞轮储能系统,提出一种基于牵引网直流侧电压的充放电控制策略,采用均速控制方法调节飞轮阵列因工艺与环境不同造成的转速差异,并在现有控制策略的基础上提出空载网压辨识算法,确保飞轮在中压环网电压波动时仍能正确动作。最后以北京地铁房山线为例,对含飞轮储能系统的牵引供电系统进行建模和仿真分析,并在牵引变电所接入飞轮储能装置进行现场实验。研究结果表明:接入飞轮后,牵引网压峰谷差值降低了33.2%,牵引变电所输出能量减少了23%,验证了控制策略的可行性和飞轮储能系统的稳压节能效果,为飞轮储能系统在城市轨道交通领域的进一步应用提供参考和借鉴。

基于超级电容储能的城轨供电系统效能提升

城市轨道交通具有站间距离短、行车密度高等特点,列车在运营过程中会频繁地启动和制动,产生可观的制动能量。本文针对制动能量的再生利用效率提升问题,提出了一种基于超级电容储能装置和全线规划布置的超级电容地面储能系统,对其系统节能能力、牵引网稳压能力进行研究。首先,针对超级电容储能装置从单体级、模组级到系统级进行了设计;接着,以实际线路为例,从变电所输出功率、直流侧电压以及系统运营总能耗3个方面在MATLAB/Simulink平台上进行节能仿真。仿真结果表明,超级电容地面储能系统能够有效地降低城市轨道交通系统运营能耗,节能率可达12.78%,同时稳压效果明显,电压波动幅度由290 V减小至190 V,提升了牵引供电系统的供电安全性。

高速铁路列车长大坡道混合储能系统容量优化配置

高速铁路列车在以下坡方向经过长大坡道路段时会产生大量的再生制动能量,若将此能量合理回收利用将有利于低碳交通与节能减排,实现“3060”双碳目标,更有利于列车行车安全。针对地面式再生制动能量混合储能系统容量高效合理配置问题,该文在分析高铁长大坡道的再生制动能量实测数据基础上,根据其功率分层的特性给出了混合储能系统的分段配置方案;考虑全域经济性能水平建立混合储能系统容量优化模型,针对传统优化算法迭代次数高、求解效率低等问题,利用Levy飞行产生初始解并在求解过程中不断记忆更新,给出了一种基于Levy飞行的改进模拟退火算法(LESA);最后,选取西成高铁秦岭北麓长大坡道路段,鄠邑(户县东)站牵引变电所实测数据进行算例仿真。结果表明,该方法可使混合储能系统在寿命期内回收大量再生制动能量,占牵引耗电量16.3%。

城轨交通混合型再生制动能量利用系统及其控制策略

针对城轨交通再生制动能量利用问题,结合城轨交通供电系统负荷特性,提出一种含能馈系统与储能系统的混合型再生制动能量利用系统及其控制策略。结合城轨交通供电系统架构与负荷特性,提出混合型再生制动能量利用系统拓扑结构并分析其运行原理。以充分利用再生制动能量为目标制定系统能量管理策略,实现在多种运行模式和运行工况下的功率潮流管理。提出计及牵引网母线电压控制和系统动态功率分配的分层控制策略。通过仿真分析验证所提系统及其控制策略的正确性和有效性,并借助相关技术指标和经济性指标对不同再生制动能量利用方案进行对比。结果表明,所提分层控制策略能协调控制系统按需回馈、存储/释放再生制动能量,实现城轨交通再生制动能量高效利用,并有效抑制牵引网母线电压波动;同时,所提混合型再生制动能量利用方案能较好地兼顾技术效果和经济性,相比储能方案和能馈方案有一定优势,可作为城轨交通再生制动能量利用方案的选择之一。

地下空间支撑下的城市轨道交通和能源系统融合发展研究

城市因人口、经济活动高度集中而产生极大的能源消耗量,也是各类风险高度集聚的重点区域;能源和交通作为城市碳减排的重点领域、城市“生命线”工程的重要组成部分,进行融合发展对于城市绿色低碳、安全韧性建设具有重要价值。本文梳理了城市轨道交通与能源领域的低碳韧性发展现状,涵盖城市轨道交通低碳发展、城市轨道交通与能源系统韧性评估及提升、储能系统安全防控及风险评估三方面;提出了地下空间支撑下的城市轨道交通多能源融合系统构想,阐述了常态时期、极端条件下相应系统的运行模式;从环境、经济、社会角度分析了城市轨道交通多能源融合系统的潜在效益,展望了构想系统的未来研究方向与可能的解决思路。研究建议,完善城市轨道交通多能源融合系统政策机制,推进多部门协同治理;构建城市轨道交通多能源融合系统科技创新体系,助力实现城市轨道交通低碳、安全、高效运行;推动城市电网和轨道交通协同管理体系建设,增强城市“生命线”工程韧性治理能力。

数字轨道胶轮电车氢燃料电池混合动力系统设计与运用

为响应双碳目标和市场需求,中车浦镇公司自主研发了氢能数字轨道胶轮电车(简称数轨车辆)平台,并首次将氢燃料电池混合动力系统应用于数轨车辆。氢燃料电池混合动力系统是关键核心新技术之一,文章基于数轨车辆的牵引性能、续航里程及平均功率等关键指标,提出了氢动力系统和储能系统的选型原则,确定了满足实际运行需求的系统参数匹配与选型方案,并优化了基于主动跟随的改进型功率跟随算法,确保车辆在运行过程中,氢燃料电池系统处于高效率区间运行。试验结果表明,按照文中所提能量管理方法,数轨车辆的平均氢耗量约为20 kg/102 km,每车每年减少碳排放约125600 kg,充分证明了氢燃料电池混合动力系统在数轨车辆领域应用的可行性,为其他制式车辆的应用提供指导。

基于混合碳化硅器件的城市轨道交通车辆牵引节能研究

以碳化硅为代表的新一代半导体器件在城市轨道交通车辆中的应用对车辆牵引电传动系统技术的发展意义重大。将混合碳化硅器件应用于城市轨道交通车辆牵引系统中,能极大地发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗的特点,提高车辆牵引系统效率,实现牵引系统的节能降耗目标。与硅功率器件的电机损耗相对比,混合碳化硅功率器件的电机损耗可降低4%;通过更换功率器件、配套新型牵引控制单元,以及采用新的PWM(脉冲宽度调制)控制算法,降低了功率器件的开关损耗和导通损耗。在此基础上,优化了碳化硅功率器件的控制算法,以抑制电流谐波、降低电机损耗。软件仿真和装车测试结果验证了该混合碳化硅器件在车辆牵引系统中的节能效果。

替代制动电阻的车载储能系统容量配置研究

针对安装单一地面储能系统无法高效回收城轨列车再生制动能量的问题,提出利用车载储能系统替代车载制动电阻,通过车载-地面储能系统的协调配合实现城轨列车再生制动能量高效回收的方案。从实际工程应用出发,以列车原有车载制动电阻的质量和体积为约束条件,提出集中安装和分散安装两种车载储能安装方式,并以实际城轨列车为例分别进行两种安装方式下车载储能系统的容量配置。进一步搭建城轨牵引供电系统仿真模型,对替代后的节能稳压效果进行对比分析。结果表明:将原有制动电阻用车载储能系统替代后,节能率为7.27%,较仅安装地面储能系统提高了2.02%;稳压率为34.04%,较仅安装地面储能系统提高了22.85%,验证了利用车载储能系统替代制动电阻的优势。