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近年來，城軌列車發展迅猛，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會導致牽引網電壓的起伏，不利于列車的安全運行，并且會嚴重影響供電質量。因此，需要配備一些儲能設施來解決這些問題。目前，應用于城軌列車的儲能設施有很多，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，可以滿足系統對于高能量的要求，但是其內部進行的是電化學反應，故功率密度較低、響應速度較慢。超級電容內部進行的是物理變化，功率密度大、響應速度快，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，充分發揮兩者的優勢，彌補兩者的不足。基于混合儲能的城軌列車運行系統的如圖 1 所示。
圖 1 混合儲能系統結構圖
2、創新點及解決的問題
列車頻繁的啟動與制動狀態導致直流牽引網與儲能系統之間不斷地進行能量交換，這部分能量將在超級電容和蓄電池之間進行分配。傳統的功率分配多采用低通濾波法，濾波時間常數是固定的，但是由于負載功率、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不能充分發揮各儲能元件的優點，因此可以利用超級電容的 SOC 對濾波時間常數進行校正。改進后的低通濾波法不但能夠保證直流牽引網電壓在要求的范圍內波動，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、重要內容導讀
文章首先介紹了混合儲能系統的工作原理 。城軌列車在運行中會經歷三個過程：勻速、加速和減速。
（1）當城軌列車處于勻速狀態時，直流牽引網電壓基本保持不變，此時直流牽引網和超級電容或者蓄電池之間沒有進行能量交換；
（2）當城軌列車處于加速狀態時，因電機運轉需要大量能量，控制回路將使得開關管S 2 、S 4 導通，對電感 L 1 、L 2 進行充電，然后超級電容和蓄電池與 L 1 、L 2 通過 S 1 、S 3 反并聯的二極管接入牽引網中，給牽引網供能，避免牽引網電壓降得太低，此時 DC/DC 變換器工作在 Boost 模式下；
（3）當城軌列車處于減速狀態時，電機制動產生反饋能量，此時牽引網通過開關管 S 1 、S 3 對超級電容和蓄電池進行充電，不但可以避免牽引網電壓升的過高，還可以將能量儲存起來為下一次加速做準備，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的能量管理策略。在進行能量管理時需要先對功率進行解耦，這樣就可以由超級電容提供變化的高頻功率，蓄電池負責相應的低頻功率，文章采用由超級電容的 SOC 控制低通濾波器的時間常數來確定各自的目標功率的方法。濾波時間常數和超級電容 SOC 的關系如圖 2 所示。
圖 2 基于超級電容 SOC 和濾波時間常數的關系圖
Fig.2 Relationship diagram between SOC of super capacitor and filter time constant
（1）當超級電容的 SOC 處于[0，SOC min ]時，濾波時間常數 T 修正為 0，則超級電容不再進行放電，完全由蓄電池放電來維持直流牽引網電壓的穩定，同時為了保護蓄電池，令參功率 P ref-out 等于蓄電池的最大輸出功率；
（2）當超級電容的SOC處于[SOC min ，SOC 1 ]時，按照圖 3 中Ⅰ段所示對濾波時間常數進行修正，此時隨著超級電容SOC值的減小，濾波時間常數T跟著減小，故蓄電池可補償的頻率范圍就相應增大，輸出功率也相應增大，當且僅當超級電容的SOC等于最小值SOC min時，濾波時間常數為T min ，蓄電池補償的頻率范圍最大，輸出功率達到最大，避免了超級電容的過放；
（3）當超級電容的SOC處于[SOC 1 ，SOC 2 ]時，濾波時間常數不變，為給定的初始值T 0 ，此時超級電容和蓄電池都能充分發揮各自的優勢；
（4）當超級電容的SOC處于[SOC 2 ，SOC max ]時，按照圖 3 中Ⅲ段所示對濾波時間常數進行修正，此時隨著超級電容SOC值的增大，濾波時間常數T也跟著增大，故蓄電池可補償的頻率范圍就相應減小，輸出功率也相應減小，而超級電容的輸出功率增大，減小了蓄電池的運行壓力，增加了蓄電池的使用次數；
（5）當超級電容的SOC處于 [SOC max ，100%]時，濾波時間常數T修正為 0，此時超級電容不再進行充電，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。
濾波時間常數修正關系如下：
（1）
通過對濾波時間常數的修正，蓄電池和超級電容的功率參考值也得到了相應的修正，不再是初始設定的固定值，其修正后的功率參考值分別為：
最后，通過 Matlab/Simulink 搭建模型進行仿真驗證改進策略的有效性。
4、結論
針對城軌列車在運行過程中對直流牽引網電壓造成的沖擊，文章研究了由超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統，并提出了基于超級電容 SOC 控制濾波時間常數的低通濾波法來分配功率的策略。仿真結果表明，所提出的策略不但能夠保證直流牽引網電壓的穩定，還能夠根據城軌列車的實際運行狀態以及儲能元件的使用情況對其進行合理的功率分配。同時，還可以避免超級電容和蓄電池出現過充、過放的情況，超級電容對高頻功率的響應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. 應用于城軌列車混合儲能系統的能量管理策略[J]. 儲能科學與技術, 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 混合儲能系統結構圖
2、創新點及解決的問題
列車頻繁的啟動與制動狀態導致直流牽引網與儲能系統之間不斷地進行能量交換，這部分能量將在超級電容和蓄電池之間進行分配。傳統的功率分配多采用低通濾波法，濾波時間常數是固定的，但是由于負載功率、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不能充分發揮各儲能元件的優點，因此可以利用超級電容的 SOC 對濾波時間常數進行校正。改進后的低通濾波法不但能夠保證直流牽引網電壓在要求的范圍內波動，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、重要內容導讀
文章首先介紹了混合儲能系統的工作原理 。城軌列車在運行中會經歷三個過程：勻速、加速和減速。
（1）當城軌列車處于勻速狀態時，直流牽引網電壓基本保持不變，此時直流牽引網和超級電容或者蓄電池之間沒有進行能量交換；
（2）當城軌列車處于加速狀態時，因電機運轉需要大量能量，控制回路將使得開關管S 2 、S 4 導通，對電感 L 1 、L 2 進行充電，然后超級電容和蓄電池與 L 1 、L 2 通過 S 1 、S 3 反并聯的二極管接入牽引網中，給牽引網供能，避免牽引網電壓降得太低，此時 DC/DC 變換器工作在 Boost 模式下；
（3）當城軌列車處于減速狀態時，電機制動產生反饋能量，此時牽引網通過開關管 S 1 、S 3 對超級電容和蓄電池進行充電，不但可以避免牽引網電壓升的過高，還可以將能量儲存起來為下一次加速做準備，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的能量管理策略。在進行能量管理時需要先對功率進行解耦，這樣就可以由超級電容提供變化的高頻功率，蓄電池負責相應的低頻功率，文章采用由超級電容的 SOC 控制低通濾波器的時間常數來確定各自的目標功率的方法。濾波時間常數和超級電容 SOC 的關系如圖 2 所示。
圖 2 基于超級電容 SOC 和濾波時間常數的關系圖
Fig.2 Relationship diagram between SOC of super capacitor and filter time constant
（1）當超級電容的 SOC 處于[0，SOC min ]時，濾波時間常數 T 修正為 0，則超級電容不再進行放電，完全由蓄電池放電來維持直流牽引網電壓的穩定，同時為了保護蓄電池，令參功率 P ref-out 等于蓄電池的最大輸出功率；
（2）當超級電容的SOC處于[SOC min ，SOC 1 ]時，按照圖 3 中Ⅰ段所示對濾波時間常數進行修正，此時隨著超級電容SOC值的減小，濾波時間常數T跟著減小，故蓄電池可補償的頻率范圍就相應增大，輸出功率也相應增大，當且僅當超級電容的SOC等于最小值SOC min時，濾波時間常數為T min ，蓄電池補償的頻率范圍最大，輸出功率達到最大，避免了超級電容的過放；
（3）當超級電容的SOC處于[SOC 1 ，SOC 2 ]時，濾波時間常數不變，為給定的初始值T 0 ，此時超級電容和蓄電池都能充分發揮各自的優勢；
（4）當超級電容的SOC處于[SOC 2 ，SOC max ]時，按照圖 3 中Ⅲ段所示對濾波時間常數進行修正，此時隨著超級電容SOC值的增大，濾波時間常數T也跟著增大，故蓄電池可補償的頻率范圍就相應減小，輸出功率也相應減小，而超級電容的輸出功率增大，減小了蓄電池的運行壓力，增加了蓄電池的使用次數；
（5）當超級電容的SOC處于 [SOC max ，100%]時，濾波時間常數T修正為 0，此時超級電容不再進行充電，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。
濾波時間常數修正關系如下：
（1）
通過對濾波時間常數的修正，蓄電池和超級電容的功率參考值也得到了相應的修正，不再是初始設定的固定值，其修正后的功率參考值分別為：
最后，通過 Matlab/Simulink 搭建模型進行仿真驗證改進策略的有效性。
4、結論
針對城軌列車在運行過程中對直流牽引網電壓造成的沖擊，文章研究了由超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統，并提出了基于超級電容 SOC 控制濾波時間常數的低通濾波法來分配功率的策略。仿真結果表明，所提出的策略不但能夠保證直流牽引網電壓的穩定，還能夠根據城軌列車的實際運行狀態以及儲能元件的使用情況對其進行合理的功率分配。同時，還可以避免超級電容和蓄電池出現過充、過放的情況，超級電容對高頻功率的響應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. 應用于城軌列車混合儲能系統的能量管理策略[J]. 儲能科學與技術, 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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