北京交通大學電氣工程學院的研究人員夏歡、楊中平、楊志鴻、林飛、李旭陽， 在2017年第21期《電工技術學報》上撰文， 研究應用於城軌交通的地面式超級電容儲能裝置的控制策略。
首先建立結合列車、儲能裝置和制動電阻的牽引供電系統的數學模型,分析了列車再生制動時超級電容和制動電阻能量分配的影響因素,並由此提出了考慮列車運行狀態的儲能裝置控制策略。
該控制策略通過列車即時功率、位置資料,動態調整儲能裝置的充電電壓指令,從而調整超級電容的充電功率,使儲能裝置工作在最優狀態。
為了驗證所提出的控制策略的有效性,利用北京地鐵八通線梨園站的兆瓦級超級電容儲能裝置開展了實際列車運營實驗。 現場實驗表明,該控制策略可有效地提高超級電容的利用率,增大儲能裝置的節能量,降低地鐵系統的運行能耗。
近年來， 越來越多的儲能裝置被安裝到城軌牽引供電系統中用來回收列車再生制動能量及穩定牽引網電壓。 可用于城軌交通的儲能元器件有電池、飛輪和超級電容等。 超級電容以其大功率密度、百萬次的迴圈壽命等優點逐漸成為主流， 基於超級電容的儲能裝置已在世界多條城軌線路上得到了應用。
龐巴迪的研發的Mitrac energysaver， 使用1kW·h超級電容， 最大功率達到300kW。 西門子公司的SITＲAS-SES，
已有許多學者對儲能裝置應用方面的相關問題開展了廣泛而深入的研究。 其中， 文獻［7］提出了一種考慮列車速度、加速度和超級電容SOC的車載式儲能裝置的能量管理策略， 可有效減少列車再生制動時再生制動能量對牽引網電壓的衝擊而無需預先定義車輛運行資料。 但是文章的分析和建模只考慮了單列車。
文獻［8］提出了利用非線性規劃確定地面式儲能裝置基本特性參數的方法， 並且在設計中考慮了列車運行的隨機性， 但是並未給出具體的優化流程。
文獻［9］提出了在儲能裝置和列車間存在通信的條件下， 地面式儲能裝置的能量管理策略，
文獻［10］設計了基於牽引網電壓和儲能裝置SOC的儲能裝置功率流控制器， 並且根據牽引網電壓對儲能裝置的工作區間進行了劃分， 但是所提出的控制策略在超級電容SOC的邊界存在振盪問題。
文獻［11］提出了基於牽引網電壓和超級電容電流的雙閉環控制策略， 並給出了控制參數的設計方法， 但是並未考慮超級電容的時間常數對控制系統的影響。
上述文獻並未考慮到儲能裝置與列車制動電阻的協調控制問題。 實際上， 城軌列車制動時， 制動能量應首先被臨近牽引列車吸收， 但是制動功率和牽引功率並不時時匹配，
無論超級電容裝置還是制動電阻， 其吸收或消耗的能量都是可控的。 合理的控制策略應當是， 剩餘再生制動功率優先由超級電容吸收， 當超級電容無法吸收時， 才由制動電阻消耗。 不合理的控制策略將導致過多的剩餘再生制動能量消耗在制動電阻上， 造成超級電容配置容量的浪費。 所以， 合理地設計超級電容的控制策略至關重要， 這正是本文討論的重點。
因此， 本文提出了一種儲能裝置控制策略， 該控制策略可根據列車狀態調整儲能裝置的充電指令，
首先， 本文建立了牽引供電系統各部分模型， 分析了列車制動電阻的運行特性。 其次， 分析了列車再生制動時超級電容和制動電阻能量分配的影響因素， 由此提出了以儲能裝置充電閾值作為控制變數並考慮列車狀態的超級電容控制策略， 分析了所提出的控制策略與電壓電流雙閉環控制策略結合的可行性。 最後， 利用北京地鐵八通線梨園站兆瓦級超級電容儲能裝置進行了現場的實驗， 證明了所提出的控制策略的合理性和有效性。
圖5 MW級超級電容儲能裝置
圖6 兆瓦級儲能裝置電氣結構圖
結論本文建立了包含地面超級電容儲能裝置和城軌列車制動電阻模型在內的城軌牽引供電系統模型。通過此模型分析了儲能裝置和制動電阻在牽引網中的運行特性，儲能裝置和制動電阻將列車制動區間劃分為兩個區域，即儲能裝置單獨工作區和混合工作區。然後給出了解析的儲能裝置控制策略對牽引網損耗和制動電阻損耗的影響，分析表明，制動電阻起動點為總損耗的轉捩點。
為了使儲能裝置達到最佳節能效果，本文提出了考慮列車運行狀態的儲能裝置控制策略，通過列車即時功率，位置資料動態調整儲能裝置所需的充電電壓。現場實驗表明，在改進型的控制策略下，可實現總充電能量回收25. 3kW·h/1000s。
因此，相對于傳統的控制策略，採用所提出的改進型控制策略可有效提高儲能裝置的充電功率，總充電能量變為原來的1.77倍，有效地提高了超級電容的利用率，降低地鐵系統的運行能耗。
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圖5 MW級超級電容儲能裝置
圖6 兆瓦級儲能裝置電氣結構圖
結論本文建立了包含地面超級電容儲能裝置和城軌列車制動電阻模型在內的城軌牽引供電系統模型。通過此模型分析了儲能裝置和制動電阻在牽引網中的運行特性，儲能裝置和制動電阻將列車制動區間劃分為兩個區域，即儲能裝置單獨工作區和混合工作區。然後給出了解析的儲能裝置控制策略對牽引網損耗和制動電阻損耗的影響，分析表明，制動電阻起動點為總損耗的轉捩點。
為了使儲能裝置達到最佳節能效果，本文提出了考慮列車運行狀態的儲能裝置控制策略，通過列車即時功率，位置資料動態調整儲能裝置所需的充電電壓。現場實驗表明，在改進型的控制策略下，可實現總充電能量回收25. 3kW·h/1000s。
因此，相對于傳統的控制策略，採用所提出的改進型控制策略可有效提高儲能裝置的充電功率，總充電能量變為原來的1.77倍，有效地提高了超級電容的利用率，降低地鐵系統的運行能耗。
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