【《重载铁路牵引变电所储能系统分析的国内外文献综述》5600字】

-PAGE2-重载铁路牵引变电所储能系统研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u15337重载铁路牵引变电所储能系统研究的国内外文献综述 1208781.1国内外重载运输发展情况 181981.2再生制动特性的研究现状 2231931.3再生制动能量的利用方式和应用现状 3318411.4储能系统能量管理策略研究现状 41.1国内外重载运输发展情况重载铁路的运输方式因为它的运输能力很强、运输的效率也很高，而且相比其他运输方式来说重载铁路的交通运输费用和成本低所以受到了世界上许多国家和铁路公司及其相关部门的广泛认可和重视,因此不但在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭和金属矿石等大宗货物的运量中都占有着比重较大的国家,例如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非等发展重载铁路，大量开行重载列车，而且在欧洲各国以客运为主的客货混运干线上也开始开行重载列车。由文献[1]可知如今美国是世界上重载运输最发达的国家，70%以上铁路线路实现了重载运输，2002年美国煤炭运输周转量高达3466亿t·m，收入高达81.81亿美元。美国一级铁路实施重载运输，运行成本下降了65%，市场份额逐年提高。目前美国主要采用重载单元列车方式运输，重载列车编组通常为108辆货车，由3~6台机车牵引，列车总重为13600吨，轴重（29.8~35.4）吨。澳大利亚重载运输近年来也取得辉煌成绩。2001年6月21日，澳大利亚BHP公司在纽曼山至海德兰港的矿石运输铁路线上开行了总长达7353m、总重99734吨的重载列车，创造了重载运输的世界新纪录。BHP重载线路列车正常编组为240辆货车、轴重（35~37.5）吨、牵引质量达（33600~40000）吨，目前40t轴重的机车和货车已完成试验投入运营，牵引质量达45000吨，年运量超过亿吨。纽曼矿山铁路自1973年开始采用重载运输技术以来，劳动生产率逐年提高，成本逐年下降，2000年与1980年相比，燃油消耗下降43%，每百万吨矿石运输所需人力从30人下降到5人，机车车辆利用率提高了36%。车轮、钢轨寿命提高了3~5倍，重载运输发挥了重要作用，经济效益十分显著。巴西卡拉齐重载铁路采用了列车固定编组循环运输系统方案，每列重载列车由3台机车和204辆轴重为30吨的货车构成，每辆货车净载重为105吨，每列重载列车牵引质量可达24480吨，到目前为止巴西的货车轴重已经达到了32.5吨。南非里查兹湾（RichardsBay）的运输煤矿专用线路在1976年4月1日正式开通，一开始的时候由7E交流电力机车牵引75节轴重18.5吨的CCL1型敞车来运输煤矿。然后随着煤炭出口量的不断增长，1979年、1982年和1985年先后将车辆轴重增加到20吨、22吨和26吨，牵引机车由7E型换为轴重29.25吨的11E型；牵引车辆数量由75节增加到176节（2×88节），后增至200节，列车长度2.5km，牵引重量达22000t。目前南非重载运输的列车编组达到220辆、轴重提高到33吨。中国铁路的发展政策确定了依靠科技进步与创新，货运向重载化的方针。中国的重载铁路不论是从运输的质量还是运输的密度来讲，都位于世界的领先水平。中国重载技术的发展不单单是追求单列列车的重量、长度，而是考虑到适合中国重载铁路发展的具体情况，逐步的提高车辆的轴重，加快提高中国重载铁路的货运能力，使中国重载铁路向大运量、各系统综合协调、高安全性、高可靠性的目标发展。中国重载铁路运输发展大致经历了改造既有线开行重载列车、改造繁忙干线开行5000吨重载混编列车、新建大秦铁路开行重载单元列车、大秦铁路开行2万吨列车四个主要阶段。车辆轴重主要由普通线路上运行的21吨、23吨轴重通用货车，运煤专线主要运行轴重25t的专用货车，逐步向轴重27吨和30吨发展[1]。1.2再生制动特性的研究现状再生制动特性分析是研究牵引供电系统储能方案、储能介质选取以及能量管理策略的关键和基础。由于牵引负荷具有非线性和随机性，给牵引供电系统建模和再生制动特性分析带来了一定的难度。目前国内外学者主要采用潮流计算法和仿真分析法对其进行研究。其中，潮流分析法通过建立外部电源、牵引变电所以及牵引网多导体传输数学模型，采用潮流计算的方法获取系统中各监测点电压，电流以及功率的情况，再对其进行进一步分析[2]。如文献[3]通过潮流计算法定量分析了再生制动能量在返送过程中，牵引供电系统中各个设备的消耗情况，总结了再生能量的传输特性和相关规律。潮流计算法方法可以实现牵引供电系统再生能耗的准确评估，但它的缺点是只能实现静态分析，不具备动态性能。1.3再生制动能量的利用方式和应用现状目前来说国内外对于铁路的再生制动能量的利用方式有三种，一是优化协同型，二是能量储存型，三是能量反馈型。其中，优化协同型是指通过调整列车行车的运行图，使得列车组制动时产生的再生制动能量尽可能的被同一供电臂上处于牵引工况的列车吸收[4]，这种方法可以低成本的实现大功率再生制动能量的及时再利用，但缺点在于灵活性和可操作性差，受列车组位置和数量影响较大，在行车密度较低的线路，大部分能量还是会被返送回电力系统，对牵引网造成冲击并影响公用电网电能质量。对于能量反馈型方案，文献[5]提出了一套由单相整流器，中间直流环节，三相逆变器和变压器组成的独立站点型再生能量回馈装置，将动车组产生的再生制动能量反馈到10kV的贯通线或400V的配电网，供给照明或信号系统等设备使用，如图1-1(a)所示。这种方案的优点是可以实现动车组的再生制动能量的二次利用，但再生能量瞬时功率很高，且该方案反馈的电能中谐波和负序电流含量高，会对铁路沿线电气设备的安全稳定运行造成很大的隐患。此外，文献[6]提出在牵引供电系统中引入铁路功率调节器(railwaypowerconditioner,RPC)，如图1-1(b)所示。RPC最早由日本学者提出，具有平衡两个供电臂的负荷和牵引供电系统负序谐波补偿的功能。利用RPC装置对电能质量进行改善，使得重载列车返送到牵引网的电压电流能够达到并网标准。但目前电力系统部门对于这部分返送的电能质量不进行计算费用，甚至存在有“反向正计”的情况，即反向送电仍被记为正向的用电。因此这个方案对铁路部门来说并不能带来任何经济效益，甚至会增加经济负担。图1-1能量反馈型方案拓扑结构图再生制动能量存储型方案能够根据牵引供电系统用电需求管理储能介质的充电或放电状态，具有削峰填谷，平抑负荷波动性等优势，并且近年来随着储能技术的快速发展，各种储能介质性能不断完善，成本逐渐减低，能量存储型方案得到了广泛关注[7]。由于地铁区间短，制动频繁，其再生制动能量的存储与利用技术成熟，经济效益好，目前已在多城市线路得到了应用。如巴黎、伦敦、纽约和洛杉矶等城市地铁采用了飞轮储能；日本多城市线路、韩国地铁、意大利地铁等都安装了地面式蓄电池储能系统；巴黎T3线、广州和江苏有轨电车都采用了车载超级电容储能系统，柏林地铁、马德里地铁以及费城地铁等都安装了地面超级电容储能系统[8]。目前国内外针对再生制动能量储存方案的研究尚处于起步阶段，由于铁路采用单相交流供电制式，实现其再生制动能量存储的关键之一在于储能介质接入牵引供电系统电路的设计。文献[9]提出交-直型拓扑结构，如图1-2(a)所示，该结构中左右供电臂相互独立，不存在能量交换，经济效益差。文献[10]提出交-直-交型拓扑结构，如图1-2(b)所示，该方案除能够为储能装置的接入提供稳定的直流电压外，还具有使两供电臂共用一套储能装置，实现左右供电臂能量双向流动的功能，降低了成本，且对既有线路的改造难度较小，相比于交-直型具有明显优势[11]。对于交-直-交型储能方案，文献[12]推导了牵引供电系统再生制动能量利用率的表达式，并通过协调控制储能装置实现了削峰填谷，文献[13]在此基础上进一步研究了储能介质和交-直-交变流器间的功率转移特征，提高了削峰填谷的控制精度。但上述文献未结合储能装置的充放电特性对交-直-交变流器控制方法进行推导，且不具备牵引供电系统电能质量改善的功能。因此，本文将对该方案及其控制策略进行深入研究。图1-2能量存储型方案拓扑结构1.4储能系统能量管理策略研究现状储能系统的能量管理策略主要可分为三个部分，一是列车处于制动工况时，控制储能装置的充电功率以及充电能量，二是列车处于牵引工况时，控制储能装置的放电功率以及放电能量，三是控制储能介质的荷电状态，以避免过充或过放。目前针对储能系统能量管理策略的研究大多集中于城市轨道交通，国内外学者主要提出了传统型和优化型两种方式。（1）传统型能量管理策略传统型能量管理策略是指基于电感电流闭环或电压电流双闭环等方法对储能系统双向DC/DC变换器进行控制，从而实现储能介质的充电或者是放电功能[14]-[15]。该能量管理策略通常选取恒定的阈值作为判断依据，使储能装置切换于充电，放电，备用和禁止四种工作状态。传统型方案控制简单易于实现，也成为了优化型能量管理策略改进的基础，但这种策略未结合动车组运行工况与储能装置特性，难以达到最佳节能效果[16]。（2）优化型能量管理策略优化型能量管理策略是传统型管理策略基础上的改进型，目前已有不少国内外研究者提出了不同类型的优化型能量管理策略[17]-[19]。如文献[20][21]等研究了以列车运行能耗最少或牵引网损耗最小为优化目标函数的超级电容能量管理策略；文献[22]在电压电流双闭环的基础上加入荷电状态环，通过分析储能介质最大放电电流与SOC的关系，控制储能介质的SOC使其能够持续工作在最大功率点，该方案能够获得较好的节能效果，但导致储能介质利用率低，成本较高；文献[14][23][24]提出借助储能装置削减牵引供电系统峰值功率，在实现再生制动能量回收的同时，可通过峰谷时期的分时电价差获得额外收益，并根据实际线路日负荷曲线评估了不同削峰情况下的经济效益。但并未提出切实可行的控制措施。文献[25]在分析列车制动特性的基础上，基于单车和双车情况建立了储能系统，牵引供电系统和列车数学模型，分析了影响储能装置能量回收的因素，提出了储能装置制动电压跟随控制策略，实现了再生制动能量回收最大化。但该文献所有分析均基于仿真模型，缺少实测数据，与实际运行情况可能存在差距。以上的文献对于本文的研究方向来说都具有较高的参考价值但是也存在一定的问题——首先，目前有关于重载铁路牵引变电所的储能系统控制策略的研究比较少，并且以上的文献虽然都有提出基于不同目标函数的策略，但是将能量管理策略落实到具体的控制参数的文献比较少，另外就是针对于储能装置充放电阈值设定的研究较少。而本文将参考于轨道交通的再生制动能量管理策略的相关成果，并且结合重载列车的再生制动能量特性和功率特性，提出适合于重载铁路的能量管理策略。参考文献李庆生,孙海富.中国重载铁路发展及技术标准[J].工程建设标准化,2015(04):53-56.魏文婧.高速铁路再生制动能量存储与利用控制策略研究[D].西南交通大学,2019.陈俊宇,胡海涛,王科,魏文婧,何正友.一种考虑列车运行图的高速铁路牵引供电系统再生能量评估方法[J].中国铁道科学,2019,40(01):102-110.周琨.交流动车组再生制动能量利用方案研究[D].西南交通大学,2015.张欣.电气化铁路列车独立站点型再生制动能量回馈装置研究[D].西南交通大学,2017.BuchroithnerA,AndrasecI,BaderM.Optimalsystemdesignandidealapplicationofflywheelenergystoragesystemsforvehicles[C]//EnergyConferenceandExhibition(ENERGYCON),2012IEEEInternational.IEEE,2012.李建林,马会萌,惠东.储能技术融合分布式可再生能源的现状及发展趋势[J].电工技术学报,2016,31(14):1-10+20.赵坤.城轨交通车载超级电容储能系统能量管理及容量配置研究[D].北京交通大学,2013.VazquezS,LukicSM,GalvanE,etal.EnergyStorageSystemsforTransportandGridApplications[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2010,57(12):3881-3895.徐铭晖,德湘轶.电气化铁路背靠背光伏发电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