劉宇嫣，林 飛，楊中平

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

截至2020年底，中國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度達(dá)7969.7 km，總電能耗為172.4億kWh，同比增長(zhǎng)12.9%。其中，牽引能耗為84億kWh，占總電耗的49%[1]。在我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的大背景下，降低牽引能耗對(duì)促進(jìn)城市軌道交通行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

再生制動(dòng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城軌交通列車中，充分利用列車再生制動(dòng)能量是降低城軌交通牽引能耗的有效手段。再生制動(dòng)能量的回收利用主要有列車運(yùn)行圖優(yōu)化、能量回饋型和能量存儲(chǔ)型等幾種方式。列車運(yùn)行圖優(yōu)化方式通過調(diào)整運(yùn)行圖以增加相鄰列車間的牽引與制動(dòng)過程的重疊面積，達(dá)到再生制動(dòng)能量直接被列車?yán)玫哪康?，可以有效降低牽引能耗[2-3]。能量回饋型是指在牽引變電所配置逆變裝置和升壓變壓器，直接將列車再生制動(dòng)能量回饋到交流電網(wǎng)中[4-5]。能量存儲(chǔ)型是指在列車制動(dòng)時(shí)將再生能量存儲(chǔ)在地面或車載儲(chǔ)能裝置中，并在列車牽引時(shí)進(jìn)行釋放[6-7]。地面儲(chǔ)能系統(tǒng)可回收利用再生制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、穩(wěn)壓、削峰和緊急牽引等功能[8]。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，儲(chǔ)能方式已經(jīng)成為世界上解決城軌再生能量利用問題的主流方式之一[9]。

相比車載儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用地面儲(chǔ)能系統(tǒng)不會(huì)增加列車重量，同時(shí)不占用安裝空間，并且具有安裝靈活和開發(fā)成本低的優(yōu)點(diǎn)[10]。選擇合適的儲(chǔ)能元件是在應(yīng)用中獲得最佳儲(chǔ)能性能的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，需要考慮能量密度、功率密度、充放電率、持久性和全壽命周期成本等因素[11]。目前應(yīng)用于城軌交通的儲(chǔ)能元件主要有飛輪、超級(jí)電容和電池[12]。

城市軌道交通列車位置與負(fù)荷的實(shí)時(shí)變化，導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皡?shù)具有時(shí)變性，使其成為一個(gè)復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng)。在多列車運(yùn)行工況下，列車、儲(chǔ)能系統(tǒng)、變電所之間存在著復(fù)雜的能量交互。因此，無論采用何種儲(chǔ)能元件，都需要設(shè)計(jì)合理的能量管理策略(energy management strategy，EMS)來進(jìn)行充放電的管理，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能[13]。

筆者首先介紹地面儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成與控制，然后對(duì)能量管理策略的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和分析，最后對(duì)未來的研究趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成與控制

地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由儲(chǔ)能模組和變流器組成，若儲(chǔ)能元件為超級(jí)電容或電池，則變流器為雙向DC/DC變流器，若采用飛輪儲(chǔ)能，則變流器為逆變器。本文以前者為例介紹儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略。地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在直流接觸網(wǎng)正負(fù)母線兩端，通過 DC/DC變流器來控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能元件與牽引網(wǎng)之間的能量流動(dòng)[14]，如圖1所示。

圖1 地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)組成Figure 1 Schematic of ground-based energy storage system

1.1 地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制構(gòu)架

地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制可分為兩層，上層為能量管理層，下層為變流器控制層，如圖2所示。能量管理層獲取到牽引供電系統(tǒng)中列車、變電所及儲(chǔ)能系統(tǒng)等狀態(tài)信息，以優(yōu)化目標(biāo)為導(dǎo)向，由能量管理策略計(jì)算得到控制指令，該控制指令可以為電壓、電流或者功率值。在目前實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)中，能量管理層通常給出儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的動(dòng)作電壓閾值，并把該閾值作為電壓控制指令值送入下層的變流器控制層。能量管理策略對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能、穩(wěn)壓等控制目標(biāo)具有重要影響。

圖2 地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框架Figure 2 Control framework of ground-based energy storage system

變流器控制層根據(jù)接收到的指令值，一般采用成熟的電壓電流雙閉環(huán)方案得到變換器所需的PWM信號(hào)，完成對(duì)儲(chǔ)能模組的充放電，如圖3所示[15]。電壓外環(huán)由牽引網(wǎng)電壓與電壓指令值的誤差，通過比例積分控制器(proportional integral，PI)輸出電流參考值調(diào)節(jié)牽引網(wǎng)網(wǎng)壓。參考電流通過限流環(huán)節(jié)可避免儲(chǔ)能系統(tǒng)過流充放電，從而得到電流指令。電流內(nèi)環(huán) PI控制器根據(jù)電流指令產(chǎn)生控制 IGBT開通和關(guān)斷的脈沖信號(hào)。保證系統(tǒng)穩(wěn)定性以及提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能是變流器控制策略的主要任務(wù)。

圖3 電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)Figure 3 Voltage and current double closed loop control structure diagram

1.2 能量管理策略效果的影響因素

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化控制會(huì)受到多環(huán)境變量、多限制條件的影響。儲(chǔ)能系統(tǒng)、列車、變電所共同影響著牽引供電系統(tǒng)的能量流動(dòng)[16]。所以，能量管理策略的設(shè)計(jì)也需要考慮三者的影響。其中，供電系統(tǒng)空載電壓、列車運(yùn)行圖和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理的影響最大。

1.2.1 空載電壓

牽引變電所通常由降壓變壓器和整流機(jī)組組成，將10/35 kV高壓交流電轉(zhuǎn)換為750 V或1 500 V的直流電壓[17]。整流機(jī)組一般采用 24脈波二極管整流，其電流具有單向流動(dòng)性[18]。當(dāng)列車牽引時(shí)，變電所提供電流；當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，若無鄰近牽引列車回收再生制動(dòng)能量，牽引網(wǎng)壓升高，車載制動(dòng)電阻啟動(dòng)或采取空氣制動(dòng)，將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行消耗[19]。傳統(tǒng)的能量管理策略一般以牽引網(wǎng)壓為判據(jù)，通過比較牽引網(wǎng)壓與充放電電壓閾值的大小來判斷儲(chǔ)能系統(tǒng)是否充放電。但由于受城市電網(wǎng)的影響，牽引網(wǎng)空載電壓并不是固定值，而是實(shí)時(shí)波動(dòng)的，因此固定的充放電閾值可能導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生“充而不放”或“無法充電”的現(xiàn)象[20]，所以能量管理策略的設(shè)計(jì)需要考慮空載電壓這一影響因素。

1.2.2 列車運(yùn)行圖

列車運(yùn)行圖主要包括停站時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間和發(fā)車間隔3個(gè)影響因素。一般停站時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間相對(duì)固定，發(fā)車間隔受人流密度的影響而變化[21]。發(fā)車間隔對(duì)能量流動(dòng)影響較大，并且存在一定規(guī)律。當(dāng)發(fā)車間隔較小時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)列車牽引和制動(dòng)過程重疊時(shí)間增大，牽引和制動(dòng)列車之間能量交互增多，牽引變電站輸出峰值功率較大；當(dāng)發(fā)車間隔較大時(shí)，列車剩余再生能量較大，牽引變電站輸出峰值功率較小[22]。發(fā)車間隔的變化會(huì)導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)的能量流發(fā)生變化，因此發(fā)車間隔也是儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略必須考慮的因素。

1.2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置

受到安裝空間、成本等因素制約，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量總是有限的；而儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)范圍又與其壽命相關(guān)。因此，能量管理策略與容量配置相互耦合，互相影響。設(shè)計(jì)合理的能量管理策略必須考慮容量配置的約束，而不同的能量管理策略下所得到的優(yōu)化容量配置方案也不同[23]。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略

城軌交通儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略決定了不同時(shí)間段、不同狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式以及充放電功率。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能、穩(wěn)壓及削峰優(yōu)勢(shì)，對(duì)地面儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能量管理策略進(jìn)行了大量研究，根據(jù)設(shè)計(jì)思路和問題目標(biāo)可將地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)的EMS分為基于網(wǎng)壓的EMS、基于列車的EMS和基于優(yōu)化策略的EMS 3種能量管理策略。

2.1 基于網(wǎng)壓的EMS

列車的牽引與制動(dòng)對(duì)牽引供電網(wǎng)所產(chǎn)生的最直觀現(xiàn)象就是網(wǎng)壓的波動(dòng)?；诰W(wǎng)壓的 EMS是通過判斷網(wǎng)壓實(shí)際值與充放電閾值間的大小關(guān)系來決定儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)[24-26]。當(dāng)網(wǎng)壓高于充電閾值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；當(dāng)網(wǎng)壓低于放電閾值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電；當(dāng)網(wǎng)壓介于充電閾值和放電閾值之間時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)網(wǎng)壓高于上限值或低于下限值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)。儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。充放電閾值對(duì)儲(chǔ)能裝置充放電能量影響明顯，充電閾值過高，高于車載制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓時(shí)，儲(chǔ)能裝置可吸收能量減少，充電閾值過低則會(huì)影響列車間的能量交互；放電閾值越低，儲(chǔ)能裝置可放電能量越少[27]。文獻(xiàn)[28，29]考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC，將儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC限定在合理的范圍內(nèi)，避免其過充過放。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系Figure 4 Charge–discharge state transition diagram of energy storage system

恒定的充放電閾值難以適應(yīng)空載電壓波動(dòng)和發(fā)車間隔的變化，無法達(dá)到最佳的節(jié)能效果。為了解決空載電壓波動(dòng)而導(dǎo)致的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電性能不佳的問題，文獻(xiàn)[30]根據(jù)24脈波不控整流機(jī)組的空載特性，通過中壓網(wǎng)絡(luò)換算出空載電壓值，使充放電閾值在空載電壓上下波動(dòng)。但由于列車的牽引和制動(dòng)也會(huì)造成中壓電網(wǎng)電壓的下降和上升，所以通過此方法得到的空載電壓值與實(shí)際值存在著一定的誤差。

文獻(xiàn)[31]提出一種空載電壓辨識(shí)方法，如圖5所示。此方法利用歷史電壓電流值模擬變電所輸出特性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)的空載電壓值。此方法理論上具有更高的精確性，但工程應(yīng)用的實(shí)際效果還有待檢驗(yàn)。

圖5 空載電壓辨識(shí)流程Figure 5 No-load voltage identification flow chart

牽引網(wǎng)壓的變化是由變電所、列車和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，因此基于網(wǎng)壓來控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電也成為后續(xù)能量管理策略改進(jìn)的基礎(chǔ)。基于網(wǎng)壓的EMS主要依賴本地變電所和儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)信息來調(diào)節(jié)充放電閾值，無需獲取周邊儲(chǔ)能、變電所和列車的狀態(tài)信息。該策略能在一定程度上達(dá)到節(jié)能穩(wěn)壓的效果，并且實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單可靠，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。但此策略由于僅以網(wǎng)壓為判據(jù)無法解耦列車運(yùn)行工況與變電所之間的能量流動(dòng)關(guān)系，難以適應(yīng)牽引供電系統(tǒng)負(fù)載變化。

2.2 基于列車運(yùn)行狀態(tài)的EMS

儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心作用是回收列車的再生制動(dòng)能量，所以列車運(yùn)行工況的變化是儲(chǔ)能系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的根本依據(jù)?；诹熊囘\(yùn)行狀態(tài)的EMS結(jié)構(gòu)如圖6所示，其能量管理系統(tǒng)除了考慮變電所和儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)外，還需加入列車運(yùn)行工況作為能量管理的判據(jù)。目前，對(duì)基于列車運(yùn)行狀態(tài)的 EMS研究主要分為兩類，一類是基于儲(chǔ)能系統(tǒng)鄰近列車的運(yùn)行工況，還有一類是基于事先確定的列車運(yùn)行圖的變化規(guī)律。

圖6 基于列車運(yùn)行狀態(tài)的EMS框架Figure 6 EMS frame diagram base on train operation status

文獻(xiàn)[32，33]為優(yōu)化節(jié)能效果、最小化線路壓降，根據(jù)列車速度計(jì)算得到可釋放的最大制動(dòng)能量，并以此為依據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓閾值。文獻(xiàn)[34，35]為最大化再生制動(dòng)能量回收，避免車載制動(dòng)電阻啟動(dòng)，通過列車實(shí)時(shí)功率、位置信息動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)充電電壓閾值。這幾種方法更適用于單列車運(yùn)行工況，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)鄰近站間存在多輛列車時(shí)，難以考慮列車交互與儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收之間的耦合關(guān)系。文獻(xiàn)[36，37]則研究了不同發(fā)車間隔下，供電系統(tǒng)能量與功率的流動(dòng)關(guān)系，將發(fā)車間隔作為已知條件，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)充放電閾值，可有效解決發(fā)車間隔波動(dòng)的問題。

基于列車運(yùn)行狀態(tài)的 EMS能更全面考慮列車、變電所和儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，有利于提高再生制動(dòng)能量的利用率。該能量管理策略的實(shí)現(xiàn)除了需要已知本地變電站和儲(chǔ)能系統(tǒng)信息以外，還需獲得移動(dòng)列車的狀態(tài)信息或者列車數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)信息，在一定程度上增加了系統(tǒng)應(yīng)用的復(fù)雜度。此外，該策略在考慮線路上多車運(yùn)行工況時(shí)，往往僅以列車運(yùn)行圖作為輸入條件，但在實(shí)際中還需考慮司機(jī)駕駛習(xí)慣、列車運(yùn)行時(shí)間誤差等不確定因素的影響。

2.3 基于優(yōu)化策略的EMS

上述方法都是從直觀經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，并考慮主要的影響因素，提升能量管理策略的效果。還有研究者在建立完整數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以某種性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，通過最優(yōu)化求解方法，期望得到全局最優(yōu)解。

文獻(xiàn)[38]建立了雙車運(yùn)行模型，將儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題看作一個(gè)經(jīng)典的等周問題，通過歐拉—拉格朗日方程求得解析解。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[39]建立了變電站輸出能量和線路損耗最小化的目標(biāo)函數(shù)，通過拉格朗日乘子求得最優(yōu)解。文獻(xiàn)[40]為最小化變電站輸出能量，以最小化變電站電流均方根為目標(biāo)來跟蹤儲(chǔ)能最優(yōu)電壓指令。文獻(xiàn)[41]提出了一種基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化策略。然而由于牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨列車的移動(dòng)實(shí)時(shí)變化，動(dòng)態(tài)規(guī)劃無法實(shí)現(xiàn)在線最優(yōu)控制。此外，由于系統(tǒng)模型和電路參數(shù)誤差使得理論解在實(shí)際運(yùn)行中與理想結(jié)果存在一定的差距。隨著控制系統(tǒng)計(jì)算能力的提升，采用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方法成為地面式儲(chǔ)能能量管理策略研究中的新思路。文獻(xiàn)[42]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)地面儲(chǔ)能系統(tǒng) SOC最小狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)閾值來跟隨儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC，保證其在列車制動(dòng)時(shí)能最大化回收再生制動(dòng)能量。文獻(xiàn)[43]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制，以儲(chǔ)能SOC和列車與儲(chǔ)能之間的距離作為輸入量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)充放電閾值。還有學(xué)者利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的全局最優(yōu)控制[44-45]。圖7為基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理示意圖?？刂拼硗ㄟ^與環(huán)境之間的交互，實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電規(guī)則。通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)，控制主體(相當(dāng)于控制器)觀察某一時(shí)刻的環(huán)境狀態(tài)，并通過試錯(cuò)行為獲得能表示狀態(tài)相對(duì)價(jià)值最大獎(jiǎng)勵(lì)累積值。一般來說，當(dāng)被控對(duì)象(環(huán)境)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率未知或人類專家知識(shí)不足時(shí)，通常很難用建模的方法來描述控制規(guī)則。但通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)，不用建立精確的環(huán)境模型，可以利用反復(fù)試錯(cuò)所獲取的獎(jiǎng)勵(lì)值來不斷更新控制規(guī)則。

圖7 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的EMS框架Figure 7 EMS frame diagram based on reinforcement learning

通常，強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的環(huán)境模型被定義為(S，A，R，P，γ)。其中，S表示一組狀態(tài)，A表示一組動(dòng)作，R表示獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，P表示轉(zhuǎn)移概率集，γ表示貼現(xiàn)率。代理在t時(shí)刻觀察環(huán)境狀態(tài)st，根據(jù)策略πt輸出一個(gè)動(dòng)作at。環(huán)境轉(zhuǎn)換到狀態(tài)st+1，代理根據(jù)轉(zhuǎn)換獲得獎(jiǎng)勵(lì)rt+1?；谶@個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)，代理更新策略π。

文獻(xiàn)[44]利用時(shí)序差分學(xué)習(xí)來獲取充放電規(guī)則。其迭代更新公式如(1)所示。

文獻(xiàn)[45]建立了節(jié)能率和穩(wěn)壓率的優(yōu)化目標(biāo)，利用Q學(xué)習(xí)算法來獲取代理策略，其迭代更新公式如式(2)所示。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的能量管理策略可以獲得近似全局最優(yōu)的策略，使儲(chǔ)能系統(tǒng)在復(fù)雜多變的牽引供電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制成為可能。但該能量管理策略也具有維數(shù)災(zāi)難、訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)、落地應(yīng)用困難等問題，還需進(jìn)一步改進(jìn)與解決。

本文通過上述分析對(duì)比，對(duì)這3種能量管理策略的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，如表1所示。

表1 3種能量管理策略的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Pros and cons of the three EMSs

3 能量管理策略研究展望

3.1 多儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

目前大部分文獻(xiàn)所研究的對(duì)象是單個(gè)牽引變電站內(nèi)的地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)，但實(shí)際應(yīng)用中一條線路會(huì)配置多套儲(chǔ)能裝置，構(gòu)成復(fù)雜的“牽引網(wǎng)—列車—儲(chǔ)能系統(tǒng)”耦合關(guān)系。

對(duì)于多儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制可以分為集中控制和分布式控制兩種結(jié)構(gòu)[46]。集中式控制結(jié)構(gòu)是通過中央能量管理系統(tǒng)對(duì)每個(gè)單獨(dú)的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理[47]，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)量的增加，對(duì)中央能量管理系統(tǒng)的計(jì)算速度要求急劇上升，其控制復(fù)雜性也會(huì)急劇增加[48]。相比于集中式控制結(jié)構(gòu)，分布式控制結(jié)構(gòu)下各儲(chǔ)能系統(tǒng)獨(dú)立決策，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)間的信息交互完成能量管理[49]，具有較高的魯棒性，能有效解決實(shí)時(shí)性問題。文獻(xiàn)[50]提出了集中—分布式牽引供電系統(tǒng)的智能能量管理結(jié)構(gòu)，然而該文獻(xiàn)只對(duì)多儲(chǔ)能能量管理提出設(shè)想，并未對(duì)具體控制算法進(jìn)行詳細(xì)探討。文獻(xiàn)[51]提出多儲(chǔ)能系統(tǒng)分布式協(xié)調(diào)控制策略，建立了多儲(chǔ)能系統(tǒng)決策的合作式馬爾科夫博弈模型，采用基于值解耦網(wǎng)絡(luò)的多儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法，通過“集中學(xué)習(xí)，分散控制”的方法實(shí)現(xiàn)各儲(chǔ)能系統(tǒng)的獨(dú)立決策，如圖8所示。多儲(chǔ)能系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)配合使全線路節(jié)能效果最優(yōu)，是當(dāng)前需要探討的重要課題。

圖8 多儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制示意Figure 8 Coordinated control diagram of multiple energy storage systems

3.2 車-地儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制

目前，大部分研究工作對(duì)地面或車載儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行單一的考慮，隨著再生能量回收技術(shù)的發(fā)展，越來越多的城軌列車取消制動(dòng)電阻；通過配置車載儲(chǔ)能系統(tǒng)，與地面儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)行再生能量回收成為消除再生失效的重要手段。隨著軌道交通通信技術(shù)的發(fā)展，車載與地面儲(chǔ)能系統(tǒng)的互聯(lián)協(xié)調(diào)運(yùn)行也將是城軌交通儲(chǔ)能應(yīng)用的重要趨勢(shì)。同時(shí)引入車載和地面儲(chǔ)能設(shè)備，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，開展二者協(xié)調(diào)控制等方面研究，發(fā)揮車、地儲(chǔ)能系統(tǒng)各自優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高再生能量利用率，可以完全或接近完全消除再生制動(dòng)失效的發(fā)生，車-地儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制示意圖如圖 9所示。目前針對(duì)車-地儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的研究較少。日本三菱公司[52]建立了車載儲(chǔ)能與地面儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的框架，利用車載儲(chǔ)能系統(tǒng)在線預(yù)測(cè)列車功率，實(shí)時(shí)優(yōu)化車載儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電時(shí)間，從而防止列車再生失效的發(fā)生。文獻(xiàn)[53]提出了一種車-地儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，根據(jù)不同工況下地面儲(chǔ)能系統(tǒng)和車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的閾值變化規(guī)律來合理分配功率，以此來降低再生失效率。

圖9 車-地儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制示意Figure 9 Coordinated control diagram of on-board and ground energy storage systems

4 結(jié)論

地面儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理技術(shù)的發(fā)展和成熟，將更有利于其推廣與應(yīng)用。本文根據(jù)設(shè)計(jì)思路和實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn)將能量管理策略劃分為基于網(wǎng)壓的EMS、基于列車狀態(tài)的EMS和基于優(yōu)化策略的EMS 3種策略。目前，在實(shí)際應(yīng)用中地面儲(chǔ)能系統(tǒng)大多采用基于網(wǎng)壓的EMS。隨著通信水平、數(shù)據(jù)處理速度的提升，在今后基于列車運(yùn)行狀態(tài)的EMS和基于優(yōu)化策略的EMS將會(huì)更具吸引力。最后，在單站儲(chǔ)能系統(tǒng) EMS研究的基礎(chǔ)上，對(duì)多儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和車-地儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制未來的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向進(jìn)行了展望。