图1 城轨交通电能消耗流向
Fig.1 Flow chart of electric energy consumption in urban rail transit
摘要 我国城市轨道交通路网规模的不断扩大，导致牵引能耗加重问题和再生制动能量利用问题越来越受到重视。将储能技术应用在城市轨道交通中，可以平抑牵引网压波动、吸收再生制动能量、降低牵引能耗，也为接入新能源带来了契机。该文针对地面储能系统，对城轨储能领域常用储能介质的特性进行对比分析，展示城轨领域的应用现状，并结合实际案例分析储能介质和城轨需求的适应性；针对不同类型储能变流器常用电路拓扑进行研究，对比不同拓扑的工作特性和特点，分析变流器拓扑和城轨需求的匹配性；调研城轨储能系统常用的能量管理策略，研究不同策略的特点；从储能系统设计和能量管理的再优化对城轨储能系统的研究热点和未来发展提出展望，为城轨储能系统规范化、高效化、简约化提供参考。
关键词：城市轨道交通 再生制动能量 储能介质 储能变流器 能量管理
近年来，我国城市轨道交通（以下简称“城轨交通”）路网规模持续扩大，截至2022年，全国累计55个城市开通了轨道交通，运营里程总计10 291.95 km，相较于2021年新增运营里程1 085.17 km[1]。在整个城轨交通系统运营成本中，电能消耗所需的成本占总运营成本的41%。2022年，全国城轨交通电能消耗达到了227.92亿kW·h，同比增长6.39%，其中牵引能耗占比接近50%[2-3]，随着今后运营里程的不断增加，电能消耗还将不断增大。
城轨交通线路由于设计选址的需要以及快速运输乘客的根本目的，列车车站间距较小，同时在高峰期列车行车间隔大幅缩短，造成列车在运行过程中频繁启动和制动。城轨电能消耗流向如图1所示。其中牵引能耗部分中的再生制动能量大约占据30%～60%[4]，传统方式通过制动电阻直接吸收，这种方式实现较简便，但会额外产生能量浪费和隧道温升等问题。结合2022年颁布的《绿色城轨发展行动方案》，开展吸收再生制动能量实现城轨绿色节能运行的相关研究便显得更有必要[5]。
图1 城轨交通电能消耗流向
Fig.1 Flow chart of electric energy consumption in urban rail transit
目前再生制动能量吸收和利用主要通过列车运行图优化技术[6]、逆变回馈技术[7-8]和能量存储技 术[9-11]等方式实现。其中列车运行图优化技术的实现思路是根据线路各站的客流分布规律调整列车运行图和时刻表，处于制动工况的列车将再生制动能量尽可能地提供给邻近的牵引工况列车。该技术无需额外增加设备，但是会受到线路实际情况等客观因素的限制，对列车行车组织提出了较高要求[6]。逆变回馈技术的实现思路是通过增加逆变器和升压变压器等装置，将再生制动能量回馈至交流电网[8]，该技术有高功率因数、能实现无功补偿等优点，但存在回馈能量对交流电网的冲击和交流侧电能质量欠佳等问题[7]。
能量存储技术在城轨交通中应用越来越多。根据储能系统安装位置的不同，可分为地面储能系统和车载储能系统，其中地面储能系统安装于车站牵引变电所，而车载储能系统安装于列车上。由于地面储能系统容量选择较自由，且与列车没有直接电气和机械连接，同时技术相对成熟，应用也更加广泛，故本文以地面储能系统为对象进行分析。
储能系统由储能介质、储能变流器和连接部件等部分组成，其基本组成框图如图2所示，其中储能变流器可以实现牵引网和储能介质的能量交换；储能介质可以根据列车运行工况和牵引网电压实现能量的吸收和释放。此外利用系统能量管理策略和储能变流器控制策略可以控制整个储能系统的充放电。
图2 城轨交通地面储能系统基本组成框图
Fig.2 Block diagram of the basic components of wayside energy storage system for urban rail transit
能量存储技术除了实现节能目的外，还具有稳压[12]、削峰填谷[13]、紧急牵引供电等功能，其实现思路是加入不同类型的储能介质，根据列车的运行工况和制定的能量管理策略工作于停机、充电、放电和静置等不同状态[14]。当列车处于制动工况时，产生的再生制动能量通过储能变流器后存储到储能介质中，系统处于充电状态；当列车处于牵引工况时，储能介质将存储的能量通过储能变流器释放至牵引网，系统处于放电状态。
本文针对城轨交通地面储能系统，从其中的储能介质方案、能量变换方案和能量管理方案出发，详细调研分析其在城轨中的最新应用情况，梳理各部分的技术特点和运行特性，最后展望城轨交通储能系统的发展方向和研究热点，为城轨交通储能体系提供更多的理论指导和方法实践。
城轨交通的运行环境较为复杂，储能介质需要充分发挥其“削峰填谷”的功能。常见的储能介质包括电池储能、超级电容储能和飞轮储能三类[15]。在具体选择何种储能介质时，需要综合考虑实际的线路情况、与城轨交通实际运行的契合度和体积成本等综合因素，从而最大程度地提高再生制动能量的利用率。
传统的电池类型包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等[16]，而在城轨交通中使用较多的为锂离子电池。
锂离子电池的能量密度较高（120～180 W·h/kg），但功率密度较小（1 400～1 700 W/kg），循环次数约1 200次[17]，在城轨交通中有广阔前景。在国外，主要是日本、美国等地的城轨交通中应用广泛[18]，其中日本在2006年将锂离子电池储能系统应用在湘西线北陆本线，随后又应用于青梅线（2013年）、冲绳都市单轨线（2017年）等线路中[10]；在国内，锂离子电池用于再生制动能量吸收的案例较 少[17, 19]。
近年来，钛酸锂电池凭借高功率密度（2 000～3 000 W/kg）、高安全性、高稳定性和较多循环次数（10 000～20 000次）的优势也开始在城轨交通领域中有所应用。钛酸锂电池采用钛酸锂代替石墨作为负极材料，由于该材料的“零应变特性”[12]，充放电过程非常稳定，动力学表现良好[19-20]。目前国外主要的生产钛酸锂电池厂家有日本东芝和美国奥钛。其中日本东芝是商业化生产钛酸锂电池最早的企业之一，2014年就应用在了日本千代田线中，功率等级达到500 kW，东芝最新生产出的SCiBTMSIP系列钛酸锂电池有着出色的充放电速度、较长的循环次数等性能。在国内厂家生产的钛酸锂电池主要面向车载储能领域[21]。
超级电容能实现快速大功率充放电，功率密度较高（8 000 W/kg以上），循环次数较多，效率和安全性更高，但超级电容的能量密度相对较小（5～15 W·h/kg）[22]。
根据超级电容不同的工作原理和内部构造，可以分为双电层超级电容、赝电容超级电容和混合型电容[22]。其中混合型电容的电极材料一般不同，在电容量、充放电速率等方面相比单电极材料电气性能更好[22]，主要形式包括锂离子电容、电池电容等，长沙地铁等线路应用了锂离子电容，而武汉东湖“光谷量子号”有轨电车应用了电池电容。
超级电容在城轨交通中用途非常广泛[23-24]，以全程无网储能最典型[25]，该运行方式取消了接触网，除改善城市景观外，还能高效吸收再生制动能量[26]。此外还有与牵引网的混合牵引和稳压等几大功能。图3结合文献[27-28]，根据超级电容储能系统在城轨交通中的功能，统计了超级电容储能系统在各个不同功能中的应用情况。
图3 超级电容在国内外城轨储能系统的应用情况统计
Fig.3 Application statistics of supercapacitor used in energy storage system of urban rail transit from home and abroad
从图3可以看出，超级电容存储能量以1～10 kW·h居多，可实现短时间内的快速充放电；在超级电容所承担的功能占比方面，超级电容部分代替或者完全代替接触网供电的案例以有轨电车为主，除了吸收再生制动能量之外，还要给整车供电；而超级电容在城轨交通中一般以节能和稳压作用 为主。
飞轮储能系统主要由飞轮装置、储能变流器和辅助装置等部分组成[29]，其中飞轮装置主要包括飞轮转子、电机、轴承、壳体等部分，辅助装置主要包括冷却系统和真空泵等，其主要通过物理手段完成电能和机械能之间的转换[28]。当列车处于制动工况时，飞轮开始储能，以便列车牵引导致网压波动时，及时释放能量维持网压。
早期飞轮储能技术在国外率先发展并初具规模，技术也相对较成熟[28]。2000年，英国伦敦地铁便成功安装了飞轮储能系统[30]，随后，美国纽约、法国里昂、德国汉诺威、美国洛杉矶[28]等城市的多条地铁线路都安装了飞轮储能装置。国内飞轮储能的研究起步较晚，但随着企业和高校密切合作，在国内也取得了一定的研究成果，如盾石磁能科技与北京交通大学研制的MW级飞轮储能系统于2019年在北京房山线广阳城站成功挂网运行。2022年3月，国内首套拥有自主知识产权的MW级飞轮储能系统在青岛地铁3号线万年泉路站投入运营；2023年9月，飞轮储能系统在青岛地铁6号线实现首次全线挂网运行，后续还将在青岛地铁11号线全线投运。
随着目前国内飞轮储能相关技术的相对成熟，关键部件都已经拥有了自主知识产权，实现了完全的国产化，较好地满足并契合城轨交通的实际工况，在未来会有良好的应用前景。
不同阶段城轨储能系统功率和能量配置统计情况如图4所示。不同储能介质的技术指标对比[20, 23, 25]如图5所示。图4从功率和能量配置两个维度统计了上述三种储能形式在目前国内外城轨交通领域中的应用情况。图5选取了能量密度、功率密度和单位成本等主要技术指标，对上述储能介质进行对比，其中能量和功率密度的衡量主要考虑介质的装置本体部分，成本的衡量主要包括介质本体成本、安装成本和维护成本等。从单位成本上看，飞轮的造价成本最高，而超级电容成本较低。从能量密度和功率密度上看，结合图4各储能类型在能量和功率密度的分布情况，不同储能介质在能量和功率密度上具有不同工作特性[31-32]，电池能量密度较高，但功率密度较低，若列车短时制动功率峰值大，则为满足功率需求而配置对应功率的纯电池储能会导致能量过度冗余等问题；超级电容和飞轮在功率密度方面有优势，与列车牵引制动特性更匹配，但由于其宽电压变化范围和低能量密度，因此为满足能量需求而配置纯超级电容或飞轮储能时，又存在功率冗余的问题。为实现两种储能介质的特性互补，由能量型储能介质和功率型储能介质组成的混合储能系统被广泛应用[32-33]。
图4 不同阶段城轨储能系统功率和能量配置统计情况
Fig.4 Statistics on power and energy allocation of urban rail energy storage systems at different stages
图5 不同储能介质的技术指标对比
Fig.5 Comparison of the technical specifications of different energy storage media
2020年北京地铁八通线梨园站在世界上首次采用了超级电容和钛酸锂电池组成的地面式混合储能系统，并成功挂网运行，2023年八通线全线都将投用纯超级电容及超级电容/钛酸锂电池混合储能的地面式储能系统[34-36]。
图6a和图6b分别为不同种储能类型的整体使用情况和同一种储能类型在不同阶段国内外发展情况（图6中的年份为投运时间），可以看出超级电容由于功率密度较高，因此在国内外应用较多；电池由于能量密度较高，在日本等电池技术较先进的国家应用较多，但在国内城轨储能领域还没有纯地面电池储能的应用；飞轮由于造价较高，国内外整体应用较少，且由于早期国内相关技术较落后，飞轮应用较依赖进口，而随着近年国内逐渐掌握了飞轮的自主知识产权，结合飞轮运行较高的安全可靠性，在未来有较大的发展空间。
图6 各储能类型最新应用情况总结
Fig.6 Summary of the latest applications of each type of energy storage
因此在具体选择何种储能介质时，除了考虑储能介质本身特性之外，还应考虑如何结合城轨交通线路特点，充分考虑城轨交通实际运行工况和需求。以北京地铁八通线为例，在6个牵引变电站设有纯超级电容储能装置，3个牵引变电站设置超级电容和钛酸锂电池形成混合储能装置，主要有以下方面的考虑：第一，超级电容一般起到短时间、高功率充放电的作用，部分站点由于线路特点或站间距较短等原因，峰值制动功率较高，需要电池进行长时间能量输出，起到削峰填谷的作用；第二，由于超级电容能量密度较低，制动能量难以完全吸收，此时由电池进行补充吸收，避免了制动电阻的过多启动；第三，当牵引网故障断电时，需要电池作为紧急牵引下的备用电源，将列车牵引至相邻站点，因此在选择放置电池储能的站点时尽量做到平均分布。
结合城轨交通的实际运行，变流器需具有双向能量流动性，因此双向AC-DC储能变流器（飞轮储能）和双向DC-DC储能变流器（电池/超级电容储能）可作为选择方案。
飞轮储能需使用的储能变流器为双向AC-DC变流器。最基本的双向AC-DC变流器拓扑是两电平拓扑[37-38]，在城轨交通飞轮储能中应用广泛，拓扑结构和控制策略简单，可靠性也较高，节省了运维成本，然而存在功率器件成本和开关损耗较高的缺陷。解决上述缺陷的思路主要有多电平技术、功率器件串并联[39]和使用新一代半导体器件[40]等思路。其中功率器件串并联技术会带来器件串联不均压和并联不均流问题，而使用新一代功率半导体器件也有增加额外的成本的问题。因此结合城轨交通的运行，这里主要介绍多电平技术中的三电平双向AC-DC技术。
用于城轨交通储能系统的三电平双向AC-DC变流器拓扑包括二极管中点钳位（Diode Neutral Point Clamped, D-NPC）三电平拓扑、有源中点钳位（Active Neutral Point Clamped, A-NPC）二极管三电平拓扑等，拓扑结构如图7所示。
2.1.1 D-NPC三电平拓扑
D-NPC三电平拓扑由日本学者在1980年提出。每相包括4个功率器件和2个钳位二极管，4个功率器件可以被分为外管VTx1和VTx4和内管VTx2和VTx3（x=a, b, c）。与两电平拓扑相比，D-NPC拓扑具有以下优势[41]：
（a）两电平拓扑
图7 常见的双向AC-DC储能变流器拓扑
Fig.7 Common topologies bi-directional AC-DC energy storage converter
（1）更高的电能质量。增加输出电平数后，输出线电压的波形更近似正弦波，减少了谐波含量。
（2）更高的耐压水平和更低成本。以1 500 V制式为例，若使用三电平拓扑，每个功率器件的耐压仅需1 700 V左右，而使用两电平拓扑则需要3 300 V左右，耐压的升高，导致模块成本的增大，图8统计了两种耐压水平的功率器件在主要功率器件厂家的价格对比，可以看出3 300 V耐压的功率器件比1 700 V耐压的功率器件价格高了接近2～3.5倍。
图8 两种耐压水平的功率器件在主要厂家的售价对比
Fig.8 Comparison of the price of power devices of two voltage withstand levels in major manufacturers
（3）更小的开关损耗和更高的效率。使用了三电平拓扑后，开关频率降低，从而降低了开关损耗，提高了整个系统的效率。
然而D-NPC拓扑在控制时需先关断外管，再关断内管，增加了控制难度；同时各器件换流而导致开关时序差异较大，损耗分布不均衡，造成器件寿命不均衡和整体可靠性下降[42]。
2.1.2 A-NPC三电平拓扑
针对D-NPC三电平拓扑所述损耗分布不均的问题，德国学者提出了A-NPC三电平拓扑[42-43]，如图7c所示，用两个功率器件替换D-NPC三电平拓扑中的钳位二极管，产生冗余零状态输出，根据这两个功率器件的开关情况和零状态时电流流通方式，平衡各器件的损耗分配，避免损耗分布不均。随着三电平技术的不断完善，A-NPC三电平拓扑在轨道交通领域也将成为一大主流拓扑。
近两年应用飞轮储能的线路由于多采用DC 1 500 V制式，故更多地使用三电平拓扑，如深圳地铁7号线（A-NPC）、郑州地铁（D-NPC）、北京地铁6号线（D-NPC）、青岛地铁6号线（A-NPC）等；而较早应用飞轮储能或直流牵引网电压为750 V的线路仍然使用传统两电平拓扑，如北京地铁房山线和青岛地铁3号线等。因此，未来三电平将成为飞轮储能系统常用的储能变流器拓扑。
电池储能和超级电容储能应使用双向非隔离DC-DC储能变流器，目前城轨交通实际运用的拓扑基本以半桥型拓扑为基础。
改进型双向DC-DC储能变流器拓扑如图9所示。为实现城轨交通高压大功率储能系统的应用，可通过模块串并联技术实现[44-45]。以双向半桥型拓扑为例，通过模块并联可以得到如图9a所示的结构，根据实际功率需求形成多相半桥型双向DC-DC变流器；同时为了进一步降低电流纹波，拓扑采用交错并联技术，使功率器件交错导通，减小滤波电感的体积，如韩国首尔地铁9号线（四相）、中国北京地铁八通线（三相）、日本Okegawa变电所（六相）。但此时变流器整体对功率器件的耐压要求仍然相对较高，因此文献[11]提出了将图9a系统拓扑级联的方案，如图9b所示（以两模块级联为例），拓宽了储能变流器应用的场合，尤其DC 1 500 V供电制式下储能系统的设计，如成都地铁（四相交错并联+四模块并联）。
图9 改进型双向DC-DC储能变流器拓扑
Fig.9 Improved bi-directional DC-DC energy storage converter topologies
因此在选择拓扑时需重点考虑以下三个方面：第一，线路的供电制式，若线路采用DC 750 V供电制式，功率器件耐压水平最高可达1 700 V左右，同时考虑成本等因素，使用两电平拓扑也是一个合理的选择，但若线路采用DC 1 500 V供电制式，功率器件最高可达3 300 V左右，成本大大增加，这时通过使用多电平技术，便可以有效降低功率器件的耐压水平和系统成本；第二，功率等级的需求，在一些线路条件较复杂的场合，所需的峰值制动功率较高，此时仅仅采用单相拓扑已无法满足功率和器件耐压要求，可以在此基础上应用多相并联、模块级联等方式，从而有效增加拓扑的功率等级，其中采用并联相数、模块级联数须根据具体的功率等级需求计算得到；第三，系统输出参数指标的要求，为实现稳定可靠的充放电，城轨储能领域对输出电流的纹波要求较高，可以结合交错并联技术，各相依次交错导通，输出总电流纹波仅是各相桥臂输出电流纹波在一定相位差下的交错叠加。
城轨交通线网复杂，网络参数实时变化，牵引网电压随着系统负荷的变化而不断变化，储能系统在不同状态下频繁切换；同时各时间段列车上线数量、行车间隔都有所差别。因此牵引供电系统、储能系统和列车三者之间能量交互复杂，制定合理的能量管理策略（Energy Management Strategy, EMS）实现高效的充放电控制具有重要意义[46]。
城轨交通储能系统的能量管理实现框图如图10所示，能量管理单元实时采集上述牵引供电系统、储能系统和列车的状态，并根据既定的能量管理策略输出相应电气量指令值，同时作为变流器的控制指令值，最终输出PWM信号控制储能变流器功率器件，实现储能系统的充放电控制。
图10 城轨储能系统能量管理方案基本框图
Fig.10 Basic block diagram of energy management solution for urban rail energy storage system
3.1.1 基于传统固定阈值的能量管理策略
基于传统固定阈值的能量管理策略如图11所示，其中采用电压外环、电流内环的双闭环控制应用最多，其控制框图如图11a所示[47]，目前在日本地铁Okegawa变电所和Haijima变电所锂电池储能系统、北京地铁房山线飞轮储能系统等使用。
该策略控制易实现、可靠性较高。然而由于阈值固定，无法考虑城轨列车和整个牵引供电系统本身和相互间的耦合特性和协调控制，且不同类型储能介质所组成的储能系统有不同的缺陷[20, 48-50]：
（1）电池储能：由于电池单体参数的不一致性，几个充放电循环周期后出现荷电状态（State of Charge, SOC）不平衡[48]。
图11 基于传统固定阈值的能量管理策略
Fig.11 Energy management strategies based on traditional fixed thresholds
（2）超级电容储能和飞轮储能[49-50]：采用固定阈值的控制方法造成牵引网空载电压波动，导致储能系统不能充分充放电，同时SOC控制较困难，难以最大化地发挥节能效果。
针对电池储能SOC不平衡的问题，在传统固定阈值的能量管理策略基础上，考虑电池SOC的状态，在储能系统处于待机状态时根据电池SOC进行小电流下充放电[51]，控制策略框图如图11b所示。待机状态下当电池SOC较高时进行小电流放电，当电池SOC较低时进行小电流充电，可在一定程度上使电池SOC在特定范围内处于稳定状态，避免了SOC不平衡，且对系统整体运行并不会产生影响。
针对超级电容储能空载电压产生波动，出现储而不用和SOC难以控制的问题，加入了超级电容电压环，形成三环控制[52]，控制框图如图11c所示，在没有增加额外损耗的情况下准确控制超级电容SOC，同时考虑了列车位置、速度等实际工况[53]。
针对飞轮储能SOC控制困难的问题，可以采用不同的闭环方式，替代传统闭环。如在飞轮系统充电时采取转速外环、电流内环的方式，在飞轮转速达到其转速的上限前实现再生制动能量的快速吸收；放电时则采取传统的电压外环、电流内环的方式，保证牵引网电压的稳定性[54]。但此控制方式在飞轮充电期间调节充电功率具有较大局限性。为此可采用功率外环、电流内环的方式，但飞轮系统的充放电功率难以预测[55]。为解决该问题，可采用“电压-转速-电流”三闭环控制策略，可较好地实现飞轮储能工作模式的切换、均速控制[56]。
3.1.2 基于多固定阈值的能量管理策略
基于多固定阈值的能量管理策略的设计目的主要有两个方面：
（1）出于节能和稳压的目的，解决基于单固定阈值时牵引网压波动和储能系统储而不用的问题。如基于多阈值的单飞轮能量管理策略，其控制框图和工作模式如图12所示，设置两个放电阈值Udis1和Udis2，增加“释能”这一新的工作状态[54]，在正常充放电转矩限制-Telim和Telim基础上增加释能模式下的转矩限制-Telim1。在同一供电区间附近同时有处于牵引和制动的列车，或者列车处于惰行或进站停车，仅需考虑列车辅助供电系统，飞轮储能系统只需释放较小功率给牵引网便可。
图12 基于多阈值的单飞轮能量管理策略
Fig.12 Energy management strategy for flywheel energy storage based on multi-thresholds
（2）应用在混合储能系统中，不同特性的储能介质设置不同的充放电阈值，发挥各自的优势。以超级电容/电池储能介质为例，根据设置的多个功率阈值，其工作模式如图13所示，超级电容由于功率密度较大，充放电优先级较高；而电池能量密度较大，充放电优先级较低[20]。
图13 基于多阈值的混合储能系统工作模式
Fig.13 Operating mode of flywheel energy storage system based on multiple thresholds
综上所述，基于多阈值的能量管理策略能够更好地实现并发挥稳压节能功能，但运行工况较复杂，在设计控制策略时相对繁琐，调整也相对较困难。
3.1.3 基于动态阈值调节的能量管理策略
上述策略都是基于固定阈值展开的，无法结合系统运行进行实际调节，既造成不必要的能量损失，还减少了储能介质的使用寿命。因此动态地调整充放电阈值可增加系统的灵活性。动态调节阈值的依据可以总结为基于储能介质性能和基于列车运行状态。
1）基于储能介质SOC的阈值动态调节
针对固定阈值下储能系统“储而不用”的情况，可根据储能介质SOC实现充放电阈值的动态调节，简称V-SOC控制[56]，其控制策略如图14a所示，当SOC较高时，适当提升放电阈值；当SOC较低时，适当降低充电阈值。日本神户市西山-神手线等线路应用的电池储能系统使用了该策略。
图14 基于储能介质SOC的动态阈值调节策略
Fig.14 Dynamic threshold adjustment strategy based on SOC
针对固定阈值策略下产生的空载电压波动问题，可通过空载电压辨识，由实时计算得到的空载电压控制充放电电流大小。日立公司将V-SOC控制与SOC调整策略相结合，形成基于SOC的阈值动态调节[57]，控制策略如图14b所示，当电池SOC在允许范围之内时，采取传统的基于固定阈值的策略；当SOC超出允许范围较小程度时，采取V-SOC控制策略；当SOC超出允许范围较大程度时，采用SOC调整策略。该策略在韩国首尔地铁9号线中实际运用。
2）基于列车运行状态的阈值动态调节
上述能量管理策略只考虑了储能系统本身的特性和状态变化，未考虑列车实时的运行工况。基于列车运行状态的阈值动态调节从列车状态信息和列车运行图两方面考虑。前者将列车实时位置、速度、功率、流过的电流等状态与能量管理相结合[58]，增强列车的适应性，适用于单列车工况；后者需要结合列车运行图中的变化规律，更全面地掌握多列车间的能量交互和相邻列车的运行状态，实现列车、变电所和储能系统的协调控制，适用于多列车工况。
其中考虑列车运行图的阈值动态调节研究可考虑能量转移和混合储能系统介质响应优先级。
针对能量转移策略，需分析不同发车间隔下系统的能量流动规律，通过动态调整放电电压阈值，将列车在低峰期和平峰期运行时储能系统所吸收的再生制动能量部分转移到高峰期释放[59]，大大地提高了储能系统的充放电能量利用率。
针对混合储能系统介质响应优先级策略，需考虑储能介质特性。以钛酸锂电池/超级电容为例，根据不同行车间隔，高峰期仅超级电容充电，平峰期通过设置各自不同启动电压阈值顺序投入[60]；也可采用储能介质优先响应模式，在平峰期钛酸锂电池优先响应，保证超级电容整体容量损失；在高峰期超级电容优先响应，避免影响钛酸锂电池寿命。
基于功率分配的能量管理策略研究针对混合储能系统开展，满足不同种类储能介质的能量和功率分配，实现原理如图15所示。基于功率分配的能量管理策略研究可分为基于比例的功率分配和基于滤波的功率分配。
图15 基于功率分配的能量管理策略框图
Fig.15 Block diagram of energy management strategy based on power allocation
3.2.1 基于比例的功率分配
基于比例功率分配的思路是根据列车运行工况和充放电阈值，不同介质以一定比例提供功率[61]，实现系统的协调控制，但会导致介质放电不均衡。故可采用自适应功率比例分配[62]，随列车运行工况和储能介质SOC动态调节功率，但需注意比例的调整和储能系统SOC或功率越限的情况，适时停止相关介质输出[31]。此外功率分配也要考虑储能介质特性和寿命问题[36]。
3.2.2 基于滤波的功率分配
基于滤波的功率分配常对列车功率滤波，电池承担低通滤波器的功率输出，超级电容负责削峰填谷，但未考虑制动阶段的功率循环，增加了系统损耗和电压超调。
为此可采用变增益的比例控制或选择性滤波分配，解决电压超调过大和储能系统内部功率循环[63]问题。文献[64]基于二阶低通滤波器，结合频谱图确定滤波时间常数，同时对滤波输出的功率实时修正，避免了电池充放电功率越限。
4.1.1 储能介质选取的再优化
目前城轨直接应用在电动汽车等发展较成熟的储能介质领域，而储能系统对功率、SOC、温度等方面要求较高，也需根据列车运行图、牵引制动特性曲线等动态调整储能系统工况，如何将其充分契合、实现节能最大化、成本最小化，是重要研究方向。
使用新型储能介质也是一大选择。目前常采用不同种类储能介质实现性能互补，若有一种储能介质将两者的优点结合在一起，会产生更好效果，如钠离子电池、锂离子电容等，未来可应用到城市轨道交通储能系统中。
4.1.2 储能变流器性能的再提升
储能变流器性能的再提升主要包括新型电力电子器件的运用和新拓扑的再挖掘。将以SiC和GaN为代表的新一代宽禁带电力电子器件应用在城轨储能变流器中，可减小开关损耗和变换器体积。同时目前变换器呈现高频化趋势，未来可在储能系统中应用高频化技术，研发新型高频非隔离双向DC-DC储能变流器。因此基于新型电力电子器件和新型高频储能变流器，可提升储能变流器的性能。
4.2.1 “源、网、储、车”的管理模式
随着新能源发展日趋迅速，将光伏等新能源纳入城市轨道交通的案例也越来越多，加入能馈系统、地面和车载储能系统、光伏新能源的牵引供电系统，需保证源和网的稳定性和运行间歇波动等工况，形成“源、网、储、车”的能量高效协调管理。
4.2.2 能量管理系统的应用升级
目前应用最多的能量管理策略大多基于固定阈值，各变电站采用站点级-装置级的两级管理。未来随着城轨储能系统的应用规模增大，可考虑拓宽能量管理系统，形成中央级—站点级—装置级的三级管理，结合集中式与分布式控制，中心级整体集中协调优化，站点级布式协调，再配合应用人工智能算法，起到全局节能效果最优和集中控制参数降维的效果。
本文针对城市轨道交通能量存储技术，以地面储能系统为对象，调研并总结了储能技术在城轨领域的发展现状和应用情况。从储能介质出发，对比了不同类型储能介质的特点和应用现状；从能量变换出发，介绍了储能变流器在城轨中的常用拓扑，分析各自的运行特性；从能量管理出发，研究了基于阈值和基于分配两种管理策略。最后对城轨储能系统的未来发展和研究热点提出展望，提供更多的理论指导和方法实践。
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Abstract The increasing demand for urban rail transit and its network size aggravates traction energy consumption and regenerative braking energy utilization. Train running chart optimization, inverter feedback, and energy storage are often used to minimize the use of braking resistors. At present, energy storage technology is widely used with different energy storage media and energy storage converters. The system can work in different states according to the train’s operating conditions and energy management strategies.
The widely-used energy storage media include batteries, supercapacitors, and flywheels. Batteries have advantages in energy density for long-time energy storage, but the power density is relatively limited. Supercapacitors have power density advantages for high-power charging and discharging in a short period. In addition, supercapacitor plays the power supply function in urban rail transit to realize the regenerative braking energy absorption. Flywheels complete the conversion between electrical energy and mechanical energy through physical means, which have high power density. However, their costs are high. This paper compares the characteristics of the three energy storage media in terms of energy density, power density, and cost.
According to the actual operation of urban rail, the energy storage converter needs to have bidirectional energy mobility. The bidirectional AC-DC converter and bidirectional DC-DC converter are the candidates. The basic topology of AC-DC converters is the two-level topology, but the power device cost and switching loss are high. This problem can be solved by applying multi-level technology. This paper takes three-level technology as an example. The three-level topologies for urban rail energy storage systems include diode neutral point clamped topology and active neutral point clamped topology. The basic current urban rail topology of DC-DC converters is the diode center-clamped topology based on the half-bridge structure. The module series-parallel and cascade technology is considered to meet high-voltage and high-power requirements.
Due to the complexity of energy interaction among the traction power supply system, energy storage system, and train, formulating a reasonable energy management strategy is crucial to realize efficient charge/discharge control. Energy management strategies generally include threshold-based and power allocation-based strategies. The traditional threshold-based strategy is based on the fixed threshold, which is easy to realize. However, the coupling characteristics and coordinated control of the urban rail train and the whole traction power system need to be considered. Thus, strategies based on multiple fixed thresholds and dynamic threshold regulation are proposed. The power allocation strategy is mainly applied to the hybrid energy storage system to meet the energy and power allocation of different energy storage media.
The energy storage system design re-optimization is put forward for energy storage medium selection and converter performance improvement, and the energy management re-optimization is proposed for “source, network, storage, vehicle” management and energy management system upgrades. It provides theoretical and methodological practice for the urban rail energy storage system.
keywords：Urban rail transit, regenerative braking energy, energy storage media, energy storage converter, energy management
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231712
中图分类号：U239.5
北京市科技计划课题资助项目（Z211100004121011）。
收稿日期 2023-10-16
改稿日期 2024-02-24
金 勇 男，1999年生，博士研究生，研究方向为城轨储能技术应用与优化、功率半导体器件寿命评估等。E-mail: 23111446@bjtu.edu.cn（通信作者）
黄先进 男，1980年生，副教授，博士生导师，研究方向为电能变换与存储、变流器控制技术、半导体器件驱动与保护技术等。E-mail: xjhuang@bjtu.edu.cn
（编辑 陈 诚）