技术背景
随着我国城市轨道交通的不断发展，能源消耗总量过大成了轨道交通节能面临的一大问题。轨道交通运营成本30%以上用于电能消耗，其中，列车牵引供电系统占了总能耗的50%。轨道交通的制动方式包括摩擦制动和再生制动，由于城市轨道交通的运输量大，站间距短，启动制动频繁，制动能量相当可观，其再生制动产生的回馈能量占了牵引能量的40%甚至更多。因此，将轨道交通再生制动产生的能量加以利用，具有显著的节能意义。
目前，轨道交通再生制动产生的能量除了少部分被线路上同时处于加速的车辆加以利用外，剩余大部分能量一般都采用电阻耗散方式消耗吸收，以避免直流母线电压的升高。电阻耗散方式不仅导致了再生制动能量的浪费，而且带来了电阻发热所产生的散热问题。电力储能技术能够实现能量的大规模存储和利用，可以解决制动能量的再生利用问题，因此在轨道交通制动系统中有着积极的应用价值和前景。
技术原理
轨道交通回馈电力储能技术，应用储能的方式，当车辆制动时，可以先将车辆的再生制动能量存储到电池当中；当同一线路有车辆加速时，再将存储的电能释放出去，这就可以将车辆制动产生的再生能量最大限度地加以利用。
图1 轨道交通能量存储利用示意图
轨道交通回馈电力储能系统主要包含储能装置（由超级电容器、电池或者电池电容结构串并联组成）和双向DC/DC变换器两大部分。其工作原理是：储能装置通过双向DC/DC变换器并接于轨道交通供电系统直流母线，通过控制双向DC/DC变换器的开关状态，实现再生制动能量的存储和回馈。当有车辆制动使得直流母线电压升高时，直流母线通过双向DC/DC变换器向储能装置充电，将制动能量存储到储能装置中；当线路中车辆加速使得直流母线电压低于设定值时，双向DC/DC变换器改变电流方向，将储能装置中的电能释放出来，保持直流母线电压的稳定。
图2 轨道交通回馈电力储能系统示意图
轨道交通回馈电力储能系统与供电系统直流母线之间存在较大的能量流动，使得储能系统发热严重，并且加剧了储能装置各储能单体不一致性所带来的效率下降及安全性问题。因此，需要通过能量管理系统实现整体储能系统的热管理以及储能装置的电压均衡管理。整体储能系统的热管理技术分别针对双向DC/DC变换器以及储能装置的流场和温度场进行仿真，得到最佳的散热结构以及合理的控制策略。储能装置的电压均衡管理采用动态均衡的方式，对储能装置中各个连接节点的电压进行实时采集，根据均衡条件动态调整节点电压，从而实现各储能单体的电压一致，提高储能装置的充放电效率，延长使用寿命。
图3 轨道交通回馈电力储能管理系统
主要工作
1、对再生制动能量以及两车运行状况下的能量利用率进行仿真计算分析，为储能系统的设计提供必要的数据。
再生制动能量来源于车辆制动时将其动能转化为电能，而车辆再生制动回馈到直流牵引电网的能量，其中一部分会被同区间内加速启动的车辆吸收，剩余制动能量则可以通过电池储能系统进行存储，因此计算分析制动能量的功率、能量大小以及再生制动能量的利用率，可以为储能系统设计提供更准确的数据。通过对单车制动能量大小、多车运行能量的吸收情况进行建模，建立牵引电网的等效模型，分析再生制动能量的利用率，得到需要存储的再生制动能量大小及其功率，为储能系统的构建提供分析数据。
图4 两车运行的再生制动能量利用率
2、 采用锂电池作为储能介质，设计双向DC/DC变换器的主电路器件参数以及控制策略，对列车在制动过程和车辆加速过程中储能系统吸收和释放能量的情况进行仿真，使得所设计参数及控制方法可以实现稳定母线电压的作用。
在车辆减速产生制动能量时，为抑制网压过高(>1800V)导致的制动失效，当母线电压升高至1730V时，启动储能系统吸收再生电能，牵引网电压被稳定在1700V至1788V之间。电池组最大充电电流为1300A，最大充电倍率小于10C，达到设计要求；电池组SOC由30%上升至32.4%，实现了再生能量的存储。当车辆加速启动时，为了防止母线电压过低，储能系统向牵引网释放电能，当检测到母线电压低于1450V时，启动储能系统提供辅助能量，牵引网电压被稳定在1415V至1455V之间，有效提高了供电电压的稳定性。
图5 制动过程牵引网电压变化
图6 制动过程锂电池组充电电流变化 图7 制动过程锂电池组充电SOC变化
图8 加速启动过程牵引网电压变化
应用领域
轨道交通回馈电力储能系统有效利用轨道交通车辆再生制动产生的能量，在地铁、轻轨以及城市有轨电车等领域都具有较好的应用前景。
地铁
轻轨
城市有轨电车
联系方式：中国科学院广州能源研究所储能技术实验室
宋文吉 13760621475，020-87059478
邮箱：songwj@ms.giec.ac.cn
