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近年來高速鐵路運(yùn)輸發(fā)展迅速，我國高鐵里程和班次也逐漸增多。高鐵機(jī)車的制動方式有機(jī)械制動、空氣制動和再生制動三種。當(dāng)機(jī)車處于再生制動方式時，三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)工作，將機(jī)車運(yùn)動的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伣o牽引網(wǎng)，并呈現(xiàn)出瞬時功率和能量均較大的特點。以CRH380BL型動車組為例，該機(jī)車再生制動時產(chǎn)生的最大功率可達(dá)8MW，再生制動能量約為列車牽引能量的10%~30%。電網(wǎng)公司對再生制動能量回饋采用倒送不計的收費方式，因此如何有效利用再生制動能量是鐵路部門面臨的重大實際需求。

目前針對再生制動能量回收利用方法按照再生制動的功率大小和持續(xù)時間可分為小功率短時間、小功率長時間、大功率短時間和大功率長時間四種。例如電動汽車的再生制動功率為小功率短時間情況，地鐵的再生制動功率主要有小功率短時間和大功率短時間兩種情況，而高鐵的再生制動包含以上四種情況。

地鐵再生制動能量回收的問題研究較多，國內(nèi)有學(xué)者采用超級電容器來回收利用城市軌道交通中的再生制動能量，并對儲能系統(tǒng)的控制策略及健康狀態(tài)進(jìn)行了研究。然而與地鐵相比，高鐵的再生制動能量特性在于其功率和能量都大很多，并且由于超級電容器能量密度小，價格昂貴，采用單一的超級電容器來回收高鐵再生制動能量所需成本很高。

針對高鐵再生制動能量的特點，武漢大學(xué)等單位的科研人員采用超級電容器和蓄電池組合成的混合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）來回收。

圖1 含混合儲能系統(tǒng)的高鐵牽引供電系統(tǒng)

混合儲能系統(tǒng)在電氣化交通領(lǐng)域的應(yīng)用，目前也有廣泛的研究。但是，在有關(guān)學(xué)者的研究中都是給出固定容量的儲能系統(tǒng)來回收再生制動能量，未根據(jù)再生制動能量的負(fù)荷特性對所配置的儲能系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前面臨的主要問題是如何優(yōu)化配置混合儲能系統(tǒng)的容量使得用戶收益最大。

針對上述存在的問題，武漢大學(xué)等單位的科研人員對僅采用蓄電池、僅采用超級電容器及采用蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統(tǒng)三種不同方式進(jìn)行容量配置，考慮配置的儲能系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本，比較其經(jīng)濟(jì)型。并分別對三種方式下完全回收再生制動能量和部分回收再生制動能量兩種場景進(jìn)行容量配置，選出經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的容量配置方案。

圖2 混合儲能系統(tǒng)能量管理流程

表1 混合儲能系統(tǒng)不同回收方式的成本

研究人員得出的結(jié)論如下：

1）采用超級電容器和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)回收高鐵再生制動能量具有可行性和有效性。

2）由于高鐵再生制動功率和能量都很大，且高鐵再生制動能量峰值功率持續(xù)時間較短，完全回收再生制動能量所需配置的混合儲能系統(tǒng)利用率較低，也無法節(jié)省系統(tǒng)總成本。

3）部分回收再生制動能量方式投入的混合儲能系統(tǒng)成本只占完全回收再生制動能量方式投入成本的34.9%，但其回收的再生制動能量占總再生制動能量的62.4%。與無儲能系統(tǒng)時相比，部分回收再生制動能量方式下日總成本節(jié)省了3%。

本文編自2021年第19期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“高速鐵路混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化研究”，作者為袁佳歆、曲鍇 等。