丁鹏飞- 费骏韬2,孙玉坤3,孟高军1制(1.江苏省配电网智能技术与装备协同创新中心，江苏南京 210000；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京 211103；3.南京工程学院，江苏南京211167)丁鹏飞(1995-)，
摘 要：轨道交通启、停时导致母线电压降低、升高，且其制动能量巨大。已有研
男，硕士研究生，主
究表明采用储能 回收，为
，首先
供电，以 节能稳压的效果。储能 ，，
应用于城容量配要从事储能技术在 轨道交通中的应 用。在列车上应用较为复杂,充放能量管理、容配置一直是研究的热点。针对应用于城 轨交通的储能 置方
关键词：
几种用 生制动能量的方式；
轨交通的主流储能 并对其分析对比，在此基础上，对不同能
不同安装方式的研究方法，并
'最后，分析储能 阶段面临的，为城轨交通的研究提供 。； 制 能量；储能系统；能量管理；容量配置中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：2095-8188(2019)20-0019-07DOI ： 10.16628/j. cnki. 2095-8188.2019.20. 003Summary of Mixed Energy Storage System and Its Controt
Strategy in Raii TransitDING Pengfei1， FEI Junta—， SUN Yukun3， MENG Gaojun(1. Jiangsu Collaborative Innovation Center foT Smart Distribution Netaork，Nanjing 210000，China ；
2. Electric Powcs Resesrch Institute of State Grid Jiangsu Electric Powcs Company, Nanjing 211103，China；
3. Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China)Abstracc: When ail transit startr and stops，the bus vvltage decreases and increases，and itr baking eneay is huge. Previous studies have shown that the eneay storage system is used to recover it and supply power for tain
iaciion in oAdeAioachieveiheeoeciooenegssavingand voeiagesiabieieaiion.HoweveA， iheappeicaiion ooenegs storage system in tain is more complex，and its energy management and capacity allocation have always been the focus oT research. Aiming at the eneay storage system used in urban ait transit，this paper first introduces several
ways to deal with aaeneated baking eneay，secondly，introduces the mainstream eneay storage elementr used in urban ait transit and analyzes and compares them. On this basis，diferent eneisy management 811-31:6X1X0 and
capacity allocation methods are described. Finally，the research methods oT dibewnt installation modes oT energy storage system are analyzed，and the problems faced at the present stage are summarized，which provides a reference
ooaih@a@s@aach oouaban aaieiaansii.Key words： raii transp； regenerative braking energy； energy storage system； energy managemenr；
capacity allocation费骏韬(1990—)，男，工程师，硕士，主要从事电能质量及新能源研究。 玉坤(1958—)，男，教授，博士，研究方向为电力电子变换与先进储能。*基金项目：国家自然基金项目号(51877101)'江苏省教育厅面上重大项目(18KJA470002)—19 —电器与能效管理技术(2019NO. 20)!!能技术专题•综述.0引言快速发展，城市
化进程不
利用，提高能量利用率,减少电力损耗，同时保证
网电压的
％不 ，城市，全能所述，本 针对城市轨道交通储能系统
的特
在的
快,交通日益
有 输量大、
，首先， 生制动能在不 ％为了解 ，城市轨道交通的3种方，分析其工作原理；
储能式的储能装置
，对应用于，并分析应运而生， 好 高、密度，了解不同装置的优高、准 适、安全 靠等特点,城市轨道交通的; 效性、
,探储能 的不同控制
快 起成为解决我国 、交 不便的关键⑴。直 日，全世界建成包括地铁、轻轨的缺点,为城市轨道交 的可靠性、高提供理论依据％轨道交通工程已有300 个城市。在发达国家, 城市轨道交通成为城市交通的主体，约1再生制动能量处理方式1.1电阻耗能式电阻耗能式分为两种：车载制动电阻和地面 制动电阻，其主要利用大功率电阻 生制动能化为 +10,°当生制动能量无法的50%〜80% :
'伦敦轨道交
轨道交 过1 200 km；东京坐拥2 000 km左右的轨道交通系
过1 000 km。在我国铁路营 里程 过13 km,其中高 路营运
里程达到2.9万km，城市轨道交通营运里程
5 761.4 km+2,。预计到达2030年，高速铁路运营 里程将翻番，城市轨道交 飞速发展，基本实 高铁畅通,地市互联互通+3, %被临 网压
， 网电压 高，当电压 值， 制 波器会部分制 电制 力 ， 生制 能 过大 率电
阻发 。若制 波器无 好地抑制牵城市轨道交通对民众 提供巨大便利,但网电压升高，超过 值后， 完全采用机械实 入空比的带来了不可忽视的
的耗电
一一巨大的能 ％制动％制电阻通过
等效电阻，同，
网压升高
,城市轨道交通用于照明、空调等辅助服务
10% ,牵引供电耗电
为90% ,大。在我国， 市 市部分地 用 地面式电阻耗能式吸收装置 生制动能量%制 波器示 制动原 分别如图
1、2所示％丨线路阻抗而再生制动能 多⑷。成 能量的40% ,甚 [象的主要原因包括：(1) 交 网与地区能源网存在交集,但无法 消纳就近的 生能源⑸。(2) 城市轨道交 产生的大量可再生能 被回收与合理利用⑹。(3) 需求侧响应技术不够完善，未充分挖掘轨道交 的可调 特性⑺。以外，城市轨道交
的再生制动能
■J△」\"」M△牵引变电站丨牟载制动电阻△」列车牵引传动系统在制 产生能 能用于网电压大 ⑻。当可观，
的
同时在 ，如不加以利用，会图1车载制动斩波器示意图网带来安全 ，
升，甚 起再生制动失效的
提针对 ，可以用电阻耗能式、逆回式、储能式3种方 以解决+9, % 电阻耗能式将制动电能
需要
，同时使铁轨 剧 ，制冷、 设备;逆 回馈式制 对图2制动原理图电网造成 一 20 一，产生谐波，并 不能为 的启动提供辅助能量;储能式能够实现能量的回收
•综述.!!能技术专题电器与能效管理技术(2019No. 20)1.2由于储能
逆变回馈式装置由大功率器
需 电所直 ，对简单。成(IGBT、不与交流电网产生联系，使
晶 )，生制动能量即通过逆 置为电网提供能量+⑴。中， 电网电压等级
储能 按照位置划分可分为 式、地面式储能。在应用过程中， ，受
能用
在
后的
式储能传输 短、损耗不同，逆 回馈式装置可分为两种方式：(1) 压逆变方式。该方式具有能够回收部空间，改，
成本;而地面式则路上的所有
分再生制动能量的 ， 生制动能量直接电站内，适用 ，逆变至400 V交流供电 ，为照明 供电。 式， 全 高。在我国仅有少生制动能量，随由于400 V照明 逆 置的容 小，只部分轨道采用储能式装置
能够回收部分再生制动能量，因，变电所需要配 技术的发展、成本下降，应用于城市轨道交通的
置制动电阻，用 的形式
阻在 制
的能量％电，对应用。储能装备有 如图4所示。应用。地面式储能装置原能 发
成影响， 不
在
的缺点％目，该方式已压逆变方压器、北京、部分地
(2) 中压逆变方式。
式，中压逆 生制动能量反
狈9或中压 (10〜35kV)，为 、动，需要 力照明提供能量。
好
组、中压电
方式 电网之间的
波。 回
生制动能量不能被有效吸收，能中压
，抬高
电压,为城市电网返回能量。该方式在北京、东京等地
逆变回馈方式原理如图3所示。10 kV
——1-------------二―|
应用。图4地面式储能装置原理-2再生制动储能方式目前，国
用于城市轨道交通的储能技术主要有：电 储能、飞轮储能、超级电容器储能。
电阻柜低
压逆变方式
飞轮和超级电容器的
式 方式。
、体积 大，不技术的不
提高，有
步，飞轮与超。级电容器的能
而锂电池因其能
式、式
高、体积适中，得以在地面方式中共同发展。图3逆变回馈方式原理2.1电池储能目前，电 储能技术相对成熟,并已获得广泛
应用。
在 能 大，适用于轨道线路1.3储能式两种方
交错、供电模式
，储能
生制动能量赋的场景。20世 90 ，电储能 在城市轨道交通中 ，柏林地铁将应用于轻轨线予时间 ，使 需求侧与供给侧无需同
电站 能
％应用于线路，日本将蓄电
储能式通过在
在
节能的目的+ %储装置:在电压提升;路中。制动时吸收能量，
放能量,
网
电池储能同样分为 地面 方式,而电压跌落，达到地面式在实际应用中更为 ：意大利 地铁3号线、日本青梅线、韩国地铁5号等 了—21 —电器与能效管理技术(2019NO. 20)!!能技术专题•综述.地面式电池储能 。当 发 高、长区 实验
应用仍有很大差距％发阶段，与实际投入商业间供电容量不 ，地面式储能 为其提供牵'当供电系不实现区间的电源能量， 路末端电压跌落的
障时，电 储能
能够
辅助、平
为其短时提供能量，保的站台。
了对再生制动能量的回收，也为
用电峰谷提供帮助。木式电池储能 的有有限公司地面式电池储能 ， 式应用的较少。在 我国，首个采用
轨电车为河西一号线(由 京
生产)。电
了锂电池储能
命短、充放电倍率低等因素制约的应用，且在城市轨道交通中图5飞轮储能系统拓扑应用时， 单个电
在差异，
并联，以 高电放电不均衡、2.3超级电容器储能压、大 率的要求。同，在为 放电过程 中，由 电池个
级电容器作为 率型储能
的
：功率
，拥有储能器件不
用寿命长、工
大、使发 象，影响蓄电池的寿命，严 发生燃范围宽等，同 电容值可达、 等事故，
的安全 生制动能
员全。故需要对，直接 生制动能 换为电势能储城双电层电池的电压、电、 、电状态等指标， 放电过程无能
，电容的能
换、效率更高，
实 ，以 ％市轨道交通系统的
电容器的 容器具有
特 配。
2.2 储能飞轮储能
大大 ，超级电化为高 的以存储能量;列的应用前景。 电、飞轮，
能： 制
，飞轮
放电过程实
，飞轮 ， 级电 容 器 能 率，释放能量。飞轮的充、电机调速的过程，电高、技术相对成熟等因素，使 能量。级电容器成为理的储能元件，更适合回收轨道交通的再生制动
提速分 表着能
小+,13、功率 的大°飞轮储能 ， 、放能 的使用寿命较电池储能系，同飞轮储能拥有着，
国外对超级电容器储能装置研究
公司
，许多实际生产，
，
表 的是庞巴级电容器储能
不 级电容器的能 的城市轨公司在德国建立的 ，道交通储能 。但飞轮在工作过程中［较自 、 障。卩生能量的回收利大，使 不能长期存储能量。所以,飞轮储能主要 公司于巴黎T3线有轨电车安装的超级电容，有效
适用于短时间、大 率充放电的场所，符合地铁的 地利用了 用。目，我国
站时间，实
、江苏
级电容储能系统。实际工况， 在轨道交通中具有良好的应用等有轨电车已电站内、景。然飞轮的功率可到达MW级，但考虑到列
车空间 全性的 ，城市轨道交通中 用
式,地面式
轨道旁，有效地
，同方便对
了
、占用
空间的地面式飞轮储能 方式。飞轮储能
图5所示。如％发展 ，正式运用，如德国科隆、德累方式在国
在国外， 国、美国、英国
技术、 等方面发展迅，西 马德里，美国城,法国里速,飞轮储能技术 成熟，部分国家如法国、德 了西门子公司的地面式超级电容储能 ，且技术应用到轨道交通中。国效 著。以科隆为例，储能装置使德国
全年节电320 000 kWh， 化碳排放 少内对于飞轮储能技术的研究滞后于发达国家，目—22 —•综述.!!能技术专题电器与能效管理技术(2019No. 20)300 to、电站的 特 合，同 发'
过对目前用于轨道交通的储能装置分析以
间、变电站空载电压
值的双环控制无 值， 以恒定电压阈有技术缺陷，超级电容器成为回收再生
节能效果。制动能量的
。不同储能装置对比如表1所示。表1不同储能装置对比储能方式电池飞轮超级电容器电化学储能、 储能、 储能、
特点能 高、率 高、率 高、率
积庞大能 小寿命///310~15能
/(Wh/1kg) 15~4040 ~702〜10率
/(w/kg)
5 0003002 0003储能系统能量管理策略3.1地面式储能系统目前，国内外学者针对用于城轨交通的地面
式超级电容器储能 展开诸多研究，提 几种
能 。(1)双 控制型。双环控制通过直流网的电
压、电 电流两个指标，实 对双向DC/DC变换 器的控制，进而实现对储能
的能 。该方式不 以按需求切换储能
工作状态,同时对直流网电压
控制，为三环控制型基础。已有
对应用
级电容器储能 能
的双环控制展开研究，并对该方式做了详细的 。双控制能
如6所示。图6双环控制能量管理策略直流网压与充放电电压的阈值偏差通过PI 控制器获得储能
的充放电电 ；A为限节，控制储能
放电电流工作在安全范;为反馈的电感电
电
值偏差通过PI控制器对DC/DC双向逆变器 控制；B为 控制信号的占空比范围。然而，上述方法存在不足，未与城市轨道交(2)三控制型。基双环控制，
[14]提出三环控制
，分别对直
电压、超级电容电压、斩波电感电
控制。 方式仍未发 间 特性，控制目标单一,未能实各储能
的协调工作。三控制能如图7所示。图7三环控制能量管理策略(3)化控制型。为 好实现对超级电容器
储能 的能量控制，克服
控制 的缺陷，学者对此提出不同控制目标与控制方法。+15,提 基
的控制策略，建立
级电容器荷电状态(SOC)的 式， 级电容器的充放电指;
+16,过实
级电容器的SOC与，对储能
放电控制;+17 ]提 储能
的动态阈值调节控制，使 生制动能量利用率最大化，并提
放电阈值实时调节控制
；
[18,建立减少变电站供电耗能的优化目标，通过 小储能 统
输出电
网损。3.2
储能(1)规则控制。该方式
验设 按需求确定能量分配，
需求分配至储能 。主要分为3种控制 ：模 控制、逻辑门限值、
频率分配。模糊控制在各
应用，以 】实
息作为输入，对 模糊化，通过模糊规则得输
，最后反模糊化。该方能够保证非的实 适应性， 规则 设定好的 验 规则 ， 以 实 好的控制效 。逻辑门 值 实 息 为 输 ， 并—23 —电器与能效管理技术(2019NO. 20)合预定规则,分配功率需求。文献［19，根据列车
有无牵引网、停站是否充电进行分析，设定不同功
率参考值阈值。频率分配策略较简单实用，通过低通滤波器
将功率分解为高、低频，由不同设备承担需求。文 献［20，采用滤波器将目标电流分解为高、低频,
分配给蓄电池与超级电容器。(2 )最优控制。最优控制将控制目标转化为
最优解问题,但由于该方法通过对模型的计算达
到控制目标,故其计算复杂、对模型依赖度高。主
要控制方法有目标函数寻优、模型预测、动态 规划％文献+ 21 ］采用基于状态的优化策略,对车辆 状态轨迹进行预测，同时考虑相应的损耗,对功率 进行实时分配。文献+ 22 ］提出功率控制框架，将 储能系统功率控制问题转化为优化问题,在考虑
实时动态负荷情况下，计算超级电容参考电压。
文献［23］将能量管理策略中的模型预测控制和
模糊控制进行对比,分析两种策略的特点％但该类算法也存在问题:计算比较复杂且预
测长度较短,无法达到最优控制;多目标控制方程
不能达到很好的预期目标,偏离单一控制目标。4储能系统容量配置储能装置的容量、功率等级、安装位置等对城
市轨道交通系统的节能、稳压效果与投资成本产 生影响。目前,轨道交通储能系统发展迅速，国内 外学者对其展开诸多研究。文献［24］以德黑兰3号线为例，通过城轨供
电系统仿真平台，建立超级电容的评价函数，采集
实际线路测量数据,预测得到牵引变电站最大可
回收再生制动能量,并以此选择容量配置方式,为
电站容 配置提供
,
储能系统功率上下限的影响。该方式以仿真平台、实
际数据为基础,合理配置储能系统容量％文献［25 ］以布鲁塞尔2号线为例，从不同角
度对比5种容量配置方案,定性分析不同方案对 节能稳压效果的影响。文献+ 26 ］从节能率、利用 率角度探讨,并对不同容量在特定位置下进行分
析，但其储能系统位置固定,仅能得到不同发车间 隔下的较好的容量配置。上述文献通过对比不同 方案的指标，择优选择储能系统的容量配置。—24 —!储能技术专题.综述.文献［27］根据列车工况，建立牵引供电模
型,提出储能系统制动电压跟随充电控制策略，建 立储能系统全寿命周期经济效益优化模型,提高
再生制动能量回收率，减少经济成本。文献+ 28 ］
通过遗传算法对混合车载储能系统优化，以全寿
命周期 成本 为目 标, 对 电 级电 容器进行容量配置寻优。文献+ 29 ］建立列车不
同运行场景的等效模型,分析不同因素对能量传
递效率与传输距离的影响,将精英策略的非支配
排序遗传算法(Elitist Non-dominated Sorting GA, NSGA- % )与仿真结合,求解以系统能耗与成本为
目标的多目标优化问题。文献+ 30 ］将能量管理
与容量配置相结合,分析不同方案下储能系统的
节能稳压效果，同时提出一种混合粒子群算法与
仿真相结合的方法,针对不同线路、不同目标函
数，优化超级电容储能系统的能量管理与容量配
置。文献［31］考虑不同能量管理策略对容量配 置的影响，将两者结合起来,以全寿命周期为目 标，优化能量管理与容量配置，获得长寿命、低成
本的储能系统。该方法主要通过智能算法对储能 系统容量配置进行优化,在满足城轨交通回收再
生制动能量的前提下，降低成本。5结语轨道交通再生制动能量庞大，如何回收该能
量一直是国内外研究热点。目前,我国建立或已
开始规划的轨道交通已超过100座城市,轨道交 通为人们的出行提供便利,做到低碳环保，同时储
能系统吸收再生制动能量，节省能源。随着城市 人口增加,交通堵塞，未来十几年带有储能系统的
城市轨道交通会以更快的速度发展，在交通运输
中占据更大的比重％在对储能系统研究中，地面式储能系统主要 关注供电系统工况与列车运行周期等信息；车载
式则主要针对充放电控制与列车运行工况等因 素。两种方式在实现回收能量时，皆可实现对能
量管理与容量配置优化。但储能系统在轨道交通
中的应用仍面临诸多挑战。(1) 用 不同 的 储能 能 控制
略,再生制动能量利用率也不同，需结合列车运行
状态,进一步提高储能系统的节能、稳压效果%(2) 储能系统等效模型众多,城轨交通仿真
.综述.!储能技术专题平台运行准确性有待验证,为容量配置提供可靠
数据,需完善城轨交通仿真平台%(3)储能材料存在问题，体积庞大且成本较
高，随着技术的进步,储能系统在城轨交通中的应
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