摘要
随着城市轨道交通规模的不断扩大，为改善能源与环境问题，进一步提升轨道交通的能效已成为政府、行业和全社会关注的焦点。在牵引变电所安装储能装置能有效回收利用列车再生制动能量，降低牵引变电所能耗，从而达到提升能效的目的。采用超级电容与钛酸锂电池相结合的地面式混合储能系统能使能量回收装置兼有高功率密度和高能量密度的特点，能够解决单一储能元件能量密度或功率密度不足的缺点并进一步提高节能效果。目前，地面式储能系统的能量管理策略和容量配置研究主要以单一储能系统为主，为充分发挥地面式混合储能系统的性能优势，本文分别从能量管理策略和容量配置两方面展开深入研究，为地面式混合储能系统的工程应用提供理论支持。 本文提出了基于模糊逻辑控制的地面式混合储能系统充放电电压阈值自适应调整策略，以解决变电所空载电压波动和发车间隔变化导致再生制动能量回收率降低的问题。分析了牵引供电系统在不同空载电压和发车间隔下的能量流动规律，以提高节能率、保证列车间能量交互为目的，建立了能量流动与电压阈值调整之间的对应关系。通过此对应关系，构建了储能系统充放电电压阈值自适应调整的模糊逻辑控制策略。该策略无需获取其他变电所和运行列车的信息，依靠变电所和储能系统的能量状态变化实现对空载电压和发车间隔变化趋势的判断，并自动完成相应的电压阈值调整。以北京地铁八通线作为分析对象，在考虑空载电压波动和发车间隔变化的工况下，通过仿真验证了所提出策略的有效性。 为充分发挥电池和超级电容两种储能元件的优势，在有效提高再生制动能量回收率的同时延长电池寿命，本文针对混合储能系统，提出了基于储能系统荷电状态和列车运行工况的功率分配策略。首先构建混合储能系统功率分配离线优化模型，利用遗传算法得到典型工况下的功率优化分配结果。然后根据该结果提取对应工况下的功率分配特征，并通过数学建模进一步挖掘混合储能系统充电功率的优化分配规则。基于此提出自适应功率分配策略，该策略考虑储能系统荷电状态和充放电功率需求，在基于规则分配的基础上，利用神经网络模型根据超级电容剩余充电能力和剩余再生制动能量优化出最优分配比。本文利用仿真算例对自适应功率分配策略和其他策略进行对比，验证本文所提出策略的性能。 受列车运行工况、供电网络参数和发车间隔等多因素的影响，地面式混合储能系统的容量配置是一个复杂系统多目标多约束条件的优化问题。直接采用智能寻优算法实现多储能系统容量优化配置具有求解速度慢、精度低和容易陷入局部最优的问题，为此本文提出了混合储能系统双层两阶段容量优化配置模型。上层模型中定义等效储能系统，考虑了各变电所空载电压不同对储能系统容量配置和电压阈值设置的影响，结合多目标粒子群优化算法和牵引供电系统仿真平台实现等效储能系统容量与电压阈值两阶段优化。下层模型以上层模型优化结果作为输入条件，建立混合储能系统二阶锥规划模型进行求解。针对北京地铁八通线，给出了全线11个变电所的储能系统容量配置结果，验证了所提出的容量优化配置模型在降低变电所输出能耗和投资成本方面的优势。 为验证本文所提出策略的有效性和可行性，搭建了功率硬件在环实验平台。以功率放大器作为媒介，通过数字仿真平台与含有混合储能系统和DC/DC变流器的硬件测试平台信息交互，来模拟多列车运行工况下的牵引供电系统环境，并利用DSP控制器对本文所提出的电压阈值调整策略和功率分配策略进行实验，验证所提出策略的有效性和可行性。此外，基于北京地铁八通线梨园站变电所的MW级地面式混合储能系统，对本文所提出的电压阈值自适应调整策略进行了全天挂网运行试验，进一步验证所提出策略的节能效果和工程实用性。
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