基于储能的非电气化铁路新型牵引供电系统架构及关键技术

Architecture and Key Technologies of New Traction Power Supply System for Non-Electrified Railway Based on Energy Storage

摘要

为解决非电气化铁路采用110 kV/220 kV强网传统方案构建电气化铁路牵引供电系统难度大、成本高的问题，提出一种基于储能的以风、光等新能源为主体的新型牵引供电系统。分别从储能技术类别、工作原理、数学模型和典型应用等方面对新型牵引供电系统进行总结，阐明适配新型牵引供电系统的储能技术属性，阐述新型牵引供电系统内涵、特征和形态，并建立新型牵引供电系统的电气拓扑、测控平台、监控网络和管控逻辑架构；面向新型牵引供电系统源-荷随机强波动特征，从整体视角论述组分相互作用机理、系统稳定运行机制、能量流均衡机制和系统效能涌现机理，以及规划与优化配置、电能高效变换、能量自洽调度、效能评估和性能保持等关键技术。结果表明：建立基于储能的非电气化铁路新型牵引供电系统，可实现非电气化铁路的绿色低碳、弹性自洽、经济高效的电气化升级；为后续开展“理论研究-仿真验证-试验验证-评估优化”循环迭代的闭环研究提供参考借鉴。

Abstract

To solve the difficulties and high cost of constructing electrified railway traction power supply systems while using traditional 110 kV/220 kV strong grid solutions in non-electric railway, a novel traction power supply system based on energy storage (ES) with new energy such as wind and light as the main body is proposed. This paper systematically summarizes the ES technology categories, working principles, mathematical models, and typical applications of the novel traction power supply system and elaborates on the ES technology attributes suitable for the novel traction power supply systems. Meanwhile, it characterizes the connotation, features, and form of the novel traction power supply system and presents the electrical topology, measurement and control platform, monitoring network, and control logic architecture of the system. In response to the strong random fluctuation characteristics of the source and load sections in the novel traction power supply system, this paper discusses two major supporting theories from an entirety perspective: the interaction mechanism of components and the stable operation mechanism of the system; the energy flow balance mechanism and the system efficiency emergence mechanism, as well as other key technologies: the planning and optimization configuration, the efficient transformation of electricity, the self-contain scheduling for energy, and the efficiency evaluation and performance maintenance. It can be seen that the novel traction power supply system based on energy storage can achieve the electrification upgrades featuring green, low-carbon, resilience, self-contain and cost-effective for the non-electrified railways and further provide references for the subsequent closed-loop research on the "theoretical research-simulation verification-experimental verification-evaluation optimization" .

Graphical abstract

关键词

新型牵引供电系统 / 储能技术 / 新能源 / 非电气化铁路 / 绿色弹性

Key words

New traction power supply system / Energy storage technology / New energy / Non-electric railways / Green and resilience

铁路具有运力大、速度快、能耗少、成本低等诸多特点，是便捷顺畅、经济高效、安全可靠、绿色集约、智能先进的现代化高质量国家综合立体交通运输体系的骨干。截至目前，我国铁路营业里程达14.64万km，年总电能耗超780亿kW · h，其中非电化区段占比高达30%^［1-2］。面向双碳目标，铁路亟须减碳、去碳，尤其是非电气化铁路应构建低碳、自洽、绿色、弹性、可持续发展的能源供给体系。

风、光等绿色再生能源，储量富足、获取便利、转化容易，是清洁低碳、安全高效的能源供给体系的主要成分。储能具有能量转化、存储、释放等内核技术属性，是可再生能源发展不可或缺的关键要素。面对轨道交通牵引供电系统存在的供电系统电能质量、机车制动动能回收、绿色能源供给等几大问题，国内外很多学者已开始尝试将储能或新能源植入予以解决。

关于铁路牵引供电系统的电能质量和再生制动能量回收利用问题，文献［3］提出一种基于储能的系统调控策略，仿真结果表明不仅可有效回收机车再生制动能量，同时还有益于牵引供电系统2个供电桥臂之间的能量平衡；文献［4］提出一种将超级电容整合于铁路功率调节器（Railway Power Conditioner，RPC）直流侧的技术拓扑，并融合于现有牵引供电系统之中，实现机车再生制动能量的回收和110 kV/220 kV高压电网电能质量的改善；文献［5］提出一种新型的储能牵引供电系统，有效地改善了机车非对称牵引供电方式导致的高压电网负序问题，同时提高机车再生制动能量的利用效率；文献［6-7］面对电气化铁路再生制动能量回收问题，提出一种中压型能量回馈系统拓扑及适配的控制策略，提高机车再生制动能量的回收能效；文献［8-9］基于级联式背靠背式变流技术和储能技术构建一种储能式同相铁路牵引供电系统，解决牵引供电系统现存的电能质量问题，并实现机车制动能量的有效回收。

关于铁路牵引供电系统的绿色能源供给，文献［10-12］将光伏通过变流设备植入电气化铁路牵引供电系统，并基于提出的控制策略实现牵引供电系统绿色电力赋能；专利［13-15］和文献［16］提出一种将可再生能源和储能与现有牵引供电系统的友好融合拓扑架构，降低牵引供电系统碳排放和用电成本，同时基于提出的控制策略提高牵引供电系统技术性能；文献［17-18］设计火车站、列车中心和变电站的屋顶光伏方案，并量化光伏发电量与铁路负荷能耗二者之间的关系；文献［19］重点讨论光伏与地铁融合方案、接入方式、并网容量等，实现机车能量的低碳供给；文献［20-21］基于级联式变流技术构建一种DC24 kV柔性直流牵引供电系统，新能源和储能通过DC-DC/DC-AC变流设备直挂直流牵引母线，解决现有交流牵引供电系统电能质量问题，并取消了电分相设备，但这种方案完全颠覆现有牵引供电技术体制，只适合牵引供电系统新建场景且推广实施难度较大；文献［22-23］构建一种“源-网-车-储”一体化牵引供电系统，储能和新能源与原有牵引供电系统适配融合，实现列车再生制动能量和沿线新能源在铁路系统内部的高效利用、电能质量问题综合治理和系统阻尼补偿、不断电过电分相等诸多功能，但该方案还须依托110 kV/220 kV高压强网构建，才能为牵引供电系统稳定运行提供主要支撑，为新能源和储能的接入提供保障。

上述围绕储能和光伏植入牵引供电系统的研究，核心理念主要聚焦于改善或优化电气化铁路牵引供电系统特性引发的各种现存问题，尚未形成面向环境恶劣、地形复杂的弱网甚至无网区域非电气化铁路电气化升级改造的合理科学经济的优选方案。

本文提出一种基于储能构建的非电气化铁路新型牵引供电系统，重点围绕新型牵引供电系统内涵、特征、形态、架构及关键技术进行初步探讨，旨在为形成可复制、可推广的新型牵引供电系统技术体制提供参考借鉴。

1 新型牵引供电系统储能技术

新型牵引供电系统是以非电气化铁路电气化转型迫切需求为导向，以清洁低碳、安全可靠、经济科学为基本构建原则，充分整合利用铁路沿线自然禀赋、基础设施、电网架构等现有资源后形成。不同于传统牵引供电系统的技术体制，新型牵引供电系统不以高压强网作为重要支撑甚至完全可脱网运行，供给能量几乎全部来自风、光等绿色再生能源的高效转换，基于电力电子、智能控制、传感通信、规划配置等技术，将风电、光伏、小水电、燃料电池、燃氢汽轮机、储能、电网等各组分协同汇聚一起并按需自由调配，具有“源、网、荷、储”多种技术属性，能量捕获、转换、存储、释放等多种功能属性，源荷波动随机、能量路径错综、系统布置广域、组分特征各异、运行工况复杂等多种特征属性，是一种全新的技术路线。

储能具有能量吞吐、搬移等时间和空间本源属性，可以有效实现随机强波动的风光发电和电力机车源-荷之间的供需匹配，保障系统交直流母线电压的实时稳定，是新型牵引供电系统构建的重要支撑和核心要素。

1.1　储能技术分类

按照能量存储形态，储能技术具体可划分为机械式、电磁式、电化学式、相变式及氢储能等多种类别，技术路线各具优势、特点不一，适配性与实际应用场景工况密切关联。各类储能技术的分类及特点见表1。

1.2　储能技术工作原理及数学模型

结合现有技术成熟度，归纳机械储能^［24-26］、电磁储能^［27-28］、电化学储能^［29-31］、相变储能^［32］和氢储能^［33］等几类主要储能方式的工作原理及数学模型汇总见表2。

1.3　储能技术在轨道交通领域的典型应用

目前储能已开始尝试接入城市轨道和铁路，相关典型案例见表3^［34-41］。概言之，国内外相关案例主要聚焦列车制动能量回收，提高电能质量以及应急供电。未见以储能为载体，实现轨道交通能源自洽为目标的变革性新型供电模式的工程案例。

1.4　新型储能技术特征

新型牵引供电系统中铁路沿线风、光发电和牵引负荷存在随机强波动耦合特性，供需匹配困难；单系统中组分多元，多系统间广泛互联，系统行为特征和运行工况复杂。基于此，为实现非电气化铁路新型牵引供电系统高弹性和高效能的运行，亟须对新型储能技术予以支撑，具体特征如下。

（1）长时间属性。新型牵引供电系统一次能源主要是风、光，能量供给具有显著的气象型属性，不仅短时波动间歇，而且还有较强的季节性。因此，为可靠保证供需能量的平衡，支撑新型牵引供电系统构建和稳定运行的储能应具备长时间属性。

（2）大功率属性。电气化牵引功率具有一定随机性、波动性和冲击性，需要依托储能瞬时大功率充放电能力予以支撑，规避“小马拉大车”致使系统瞬时供需功率失配导致系统出现振荡、失稳风险。

（3）高安全属性。储能是新型牵引供电系统中最为关键的核心元素，体量大且布局位置集聚很多重要设备，能量存储和释放的内在反应机理技术本征属性必须安全，从根源杜绝潜在风险引发重大事故。

（4）强惯量属性。新型牵引供电系统中源-荷随机波动强，小扰动和大扰动时常发生且并存叠加，储能需具备一定本构刚性予以扰动抵御，防止电压和频率的突变，保障系统运行的可靠性和稳定性。

2 新型牵引供电系统内涵、特征及形态

2.1　新型牵引供电系统内涵

在《交通强国建设纲要》^［42］和《国家综合立体交通网规划纲要》^［43］正式颁布后，新型牵引供电系统供电技术将是发展的必然结果^［42-43］。新型牵引供电系统以新能源为供给主体、以新型储能技术为内核支撑、以安全低碳可持续发展为前提，以形成新技术、新模式和新业态为目标，具有清洁低碳、安全可控、弹性自洽、高效智能、友好互动的基本特征。

新型牵引供电系统具有气象型驱动属性，会由传统负荷单一身份演变为源荷一体双重身份，能量互动也会由网随荷动的单向性质逐渐演变为网-源-储-车多元素有序互动的多向性质，而且控制方式也将更加弹性和高效，安全防御体系逻辑层次也会更清晰完备，可实现各组分的协同聚合，同时将具备自组织、自调整、自趋优功能，有效适应源-荷随机高波动背景下涌现出的各种复杂行为特征。

2.2　新型牵引供电系统特征

从能量获取渠道、能源组构类型以及能量路径互联方式多维视角审视，新型牵引供电系统是基于系统设计与控制技术协同聚合新能源、新型储能和新型装备后涌现出的一种技术路线，不同于传统依托AC110 kV/220 kV构建的AC27.5 kV牵引供电系统传统技术路线，基本特征如下。

（1）清洁低碳。新型牵引供电系统能量供给完全来自风、光等绿色再生一次能源，牵引消耗完全依赖具有过程属性的高品质电能，形成以清洁能源为主导、电为中心的能源供应和消费体系。能源供给呈现多元化、清洁化和低碳化，牵引消耗呈现电气化、高效化和轻量化。

（2）安全可控。新型牵引供电系统将深度融合先进的物联网、网络与通信等技术，保障系统网、源、储、车全要素和全运行过程的可监、可测、可视；基于大数据和云计算技术进行数字和信息赋能，实现对设备实时状态的全息感知及系统可靠性、可用性、可维修性和安全性的精准评估，提前预警设备和系统不安全运行状态，并主动进行动态适配调整，保障系统实时安全可控。

（3）弹性自洽。新型牵引供电系统会充分发挥铁路沿线空地与风、光等自然禀赋融合后涌现的能源属性，并基于储能技术实现铁路牵引能量供给完全自给自足、绿色自洽。通过系统整体规划、组分优化配置和网架结构强韧性设计等技术手段，使新型牵引供电系统具有事前感知预判、事中自治调整及事后自愈恢复闭环安全防御体系，保障系统的适应性、鲁棒性和恢复性。

（4）高效智能。新型牵引供电系统一次能源主要是风和光、二次能源主要是电，将实现能量产-储-变-配-用全流通链条的无污染；基于风、光发电与牵引消耗日前和日内的多时间尺度预测技术、能量自洽调度的动态调整和滚动优化技术、机车再生制动能量回收技术，将实现牵引供电系统运转过程能量的低损耗；新型牵引供电系统通过降低电度电费和容量电费、主动参与电力市场交易、提供电网需要的有偿辅助服务，将实现系统营运的高效益。新型牵引供电系统基于交直流母线电压频率的快速主动支撑技术和运行模式主动柔性切换技术，将实现系统自组织、自适应和自趋优。

（5）开放互动。新型牵引供电系统基于对海量分散产-储-变-配-用对象的智能协调控制技术，将实现系统横向多源主动协调互补、纵向网-源-储-车多元素深度双向友好互动及多个新型牵引网之间互济互通。同时，依托新型牵引供电系统电气接口、通信接口和监控接口的扩展性、兼容性和开放性，实现清洁能源、新型储能的按需接入及管控平台演变升级。

2.3　新型牵引供电系统形态

伴随行业发展和技术进步，因地制宜、因网制宜、因荷制宜的新型牵引供电系统生态愿景将逐步演进形成，具体如图1所示。由图1可知：新型牵引供电系统协同聚合风、光、储、氢、水等不同清洁组分，多牵引供电系统广域互联互通，电网、牵引微网、信息网三网高度融合，贯通式牵引网与分相式牵引网、新式牵引变电站与既有牵引变电站和谐共存。

3 新型牵引供电系统架构

3.1　新型牵引供电系统电气拓扑

面向非电气化铁路的电气化、低碳化转型，基于储能构建如图2所示的包含交流（AC）和直流（DC）2种牵引方式的新型牵引供电系统电气拓扑。其中，交流牵引技术路线主要考虑实现非电气化铁路与电气化铁路的全线互联互通、整体调度、一体化运营；直流牵引技术路线则主要考虑充分发挥直流低成本、高能效、强稳定的优势，在原有非电气化铁路上构建专属的电气化直流牵引网，采用换乘联运方式完成货物或乘客的跨区域远距离输运，使原非电气化铁路与电气化铁路的间接联通。

新型牵引供电系统基于中压直流技术协同汇聚了风电和光伏等各电气子单元；基于新型储能技术实现无车牵引时风、光等绿色能量的分时积聚、有车牵引时汇聚能量的集中释放，保障直流母线电压的实时稳定；基于单相大功率双向变流器多机协同并联技术构建电压和频率实时稳定的AC25 kV牵引供电系统，实现机车牵引能量高效供给和制动能量高效回收。而且，基于储能构建的非电气化铁路新型牵引供电系统网、源、储、车等各组分可根据不同场景进行灵活调配调整。

网：主要是指新型牵引供电网和智能监控综合信息网。其中，新型牵引供电网是系统稳定可靠安全运行的硬保障；智能监控综合信息网则是系统稳定可靠安全运行的软保障。

源：主要指考虑非电气化区段沿线可获得自然禀赋、沿线地形地貌及空间资源等特点后，分散或集中布置在沿线或牵引变电站等可利用土地资源上的光伏、风电等清洁零碳的发电设备，是新型牵引供电系统的主要能量源。

储：主要指具备长时间、大功率、高安全、强惯量的新型储能，是构建新型牵引供电系统最为关键的核心元素，地面固定式储能可按需选取机械式、电磁式、电化学式、相变式及氢储能等单一形式或组合形式，车载移动式储能按照模块化、轻量化、安全化、高能量密度、小体积原则选取。地面储能系统作用有4个：实时汇聚风光等清洁绿电，集中释放能量牵引列车；平抑新能源与列车之间的功率差异，稳定DC母线电压及AC25 kV牵引母线的电压和频率；回收列车制动回馈能量；重要负荷保电。车载储能系统作用主要在于制动能量回收和外部牵引供电系统故障解列时应急牵引列车驶达指定区域。

车：除指既有常规电力列车外，也指载有储能模块的新式电力机车。新式电力机车可实现在交流、直流任意牵引网下行驶，也是系统中的负荷。

3.2　新型牵引供电系统测控平台

新型牵引供电系统基于物联传感设备的全面布局和数据传输及处理技术的有效嵌入，构建1套数字化测控平台，实现系统状态的全息感知及网、源、储、车各组分的可监、可测、可视、可控，并集运行、运维、运营于一体。按照各部分功能逻辑和扮演角色，新型牵引供电系统测控平台架构如图3所示。

由图3可知：监控平台可划分为感知层、网络层、数据层、平台层和应用层5层。

感知层：基于新型牵引供电系统广泛布置的电、热、声、光等各类传感设备，实时感知采集网、源、储、车各组分的必要信息，是新型牵引供电系统的“眼睛”及“耳朵”。

网络层：作为测控平台中间联络层，以无线专网和光纤专网实现电网、设备、牵引、发电、环境等数据高速、稳定传输，有效支撑平台层功能的精准执行，是新型牵引供电系统的“神经”。

数据层：作为测控平台的数据存储层，具备就地及云数据库存载体，基于大数据、云计算、区块链等技术，实现网、源、储、车等海量分布关键信息的提取、重组、分析、共享、存储、查询等功能，并具备系统运行状态评估和故障诊断，适配参数和运行模式智能决策，可靠性，可用性，可维护性和安全性评估等诸多功能。

平台层：作为测控平台功能实现层，基于新一代人工智能算法，构建集能量管控、铁路管控和运维管控于一体的新型牵引供电系统综合业务平台，具有能量高效自洽调度、运行模式柔性主动切换、多时间尺度的新能源发电功率和牵引负荷功率预测、系统自动优化调整、弹性支撑、自愈恢复、应急保障及电网辅助服务等诸多功能。平台层和数据层共同作为新型牵引供电系统的“大脑”。

应用层：作为测控平台用户实际操作应用层，提供新型牵引供电系统运行、运营、运维等关键总览信息的可视化窗口和人机深度互动操作界面，是新型牵引供电系统的“面孔”。

感知层（“眼睛”及“耳朵”）接收关键信息，经网络层（“神经”）将信息传递，依靠平台层与数据层（“大脑”）进行信息处理、分析，最终在应用层（“面孔”）实现人机交互，“眼、耳”“神经”“大脑”“面孔”协同配合，共同组成新型牵引供电系统测控平台基本架构。

3.3　新型牵引供电系统监控网络

基于储能构建的新型牵引供电系统管控架构组成包含高速传输通道、多类别工作站、高级应用软件、先进信息及智能技术，是用以实现发、输、配、用电能，机车运行管理，及时响应特殊情况等功能的重要支撑，是测控平台功能实现的关键载体。新型牵引供电系统监控网络架构如图4所示。图中：SAN为存储区域网络；SCADA为数据采集与监视控制系统。

由图4可知：新型牵引供电系统横向形成能量、铁路、运营三大管控平台功能独立、彼此隔离的架构，实现电能发输管控、机车动态调度、运营组织监管功能；纵向形成以能量管理系统（EMS）、协调控制器（PMS）、储能变流器（PCS）、电池管理系统（BMS）为主体的分层管控4S架构，其中EMS为能源信息采集、存储、管控的终端，PMS受上层EMS管控，向PCS下达实时能量管控调度指令，PCS精准响应上层调度指令并协同BMS实现能量储存及释放，集群式服务器存储信息并精准响应终端服务。

3.4　新型牵引供电系统管控逻辑

为诠释基于储能构建的新型牵引供电系统上层管控逻辑，阐明不同运行模式下的能量平衡关系、状态评估方法和不同状态下的调控策略及系统综合评估指标体系，构建新型牵引供电系统上层管控逻辑如图5所示。图中，相关电气参量含义详见表4。

由图5可知：首先，基于布置的先进传感设备和通讯网络架构，实现新型牵引供电系统关键参量的采集和上传，为系统的模式、状态、控制、调整提供原始背景信息；其次，根据牵引功率大小判定新型牵引供电系统工作模式，并跟随机车状态灵活柔性切换于有车牵引、空载蓄能、刹车制动3种模式之间；同时，按照能量均衡机制，在满足储能荷电状态、充放功率限值、变流设备工作阈值等约束条件的前提下，动态调配储能工作状态和充放功率，保障源-荷功率供需实时平衡适配；然后，基于能够表征系统稳定状态和弹性裕度的电压、频率、功角等不同核心电气参量与额定值偏离程度，综合评估系统是处于安全状态还是不安全状态、紧急状态还是恢复状态，并执行配套的控制策略予以调整；最后，基于针对新型牵引供电系统构建的评估指标体系计算结果，从性能、效能、效益多维视角，综合评价新型牵引供电系统服役状态。

新型牵引供电系统的底层管控是系统上层管控的基础支撑，变流设备则是底层管控的核心装备和执行指令的硬件载体。为揭示新型牵引供电中风、光储不同组分的功能和作用，分析各组分变流设备的控制方法，阐明不同变流设备的协同配合机制，同样见表4。

由图6可知：新型牵引供电系统的风电和光伏变流单元主要采用具有电流源属性的最优功率控制方法，为新型牵引供电系统注入绿电，并且根据储能荷电状态动态调整风电和光伏输出功率，适当偏离风、光输出功率的最优状态，在满足储能运行在设定范围的前提下实现风、光绿电最优利用，合理兼顾平衡系统的能效和安全2大关键指标；新型牵引供电系统的储能变流单元主要采用具有电压源属性的恒压控制方法，利用功率快速吞吐技术内核保证直流母线电压的实时稳定，为风电变流器、光伏变流器、牵引变流器的有效控制提供稳定可靠的直流母线电压，进而保障源-荷之间能量均衡传递，同时基于计及风电功率、光伏功率、牵引负荷功率、各储能单元荷电状态等电气参量的功率均分算法，保证各储能单元运行状态一致；新型牵引供电系统的牵引变流单元主要采用具有电压属性的下垂控制方法，使AC 27.5kV牵引交流母线带电，通过多牵引变流器对等均分控制算法，实现对牵引母线电压和频率的动态主动均衡调整，抵御系统内部和外部因素带来的各种扰动，保证机车牵引、惰行、制动不同状态下安全稳定的连续供能。

4 新型牵引供电系统的支撑理论和关键技术

铁路牵引负荷具有强烈随机波动特征，用能需求较为特殊；风、光等可再生能源易受多种因素影响，发电具有随机不确定特征。面对这种源-荷随机强波动的复杂挑战，须阐明基于储能的非电气化铁路新型牵引供电系统的支撑理论和关键技术。本文尝试从整体视角提出各组分相互作用机理和系统稳定运行机制、能量流均衡机制和系统效能涌现机理2大支撑理论，以及规划与优化配置、高弹性控制、高效变换与控制、能量高效利用与自洽调度、效能评估与性能保持5项关键技术，以期为后续深入细化研究指明方向。

4.1　支撑理论

4.1.1　各组分相互作用机理和系统稳定运行机制

由风、光等新能源为主的发电电源、新型储能系统、铁路沿线可接入电网、牵引负荷等构成的新型牵引供电系统组分复杂、行为特征各异。面对新能源发电的不确定性和牵引负荷的随机波动性，需要研究网-源-储-车各组分相互作用机理以及对系统稳定性影响，刻画系统稳定运行机制，形成系统稳定运行的理论方法体系。

4.1.2　能量流均衡机制和系统效能涌现机理

面对新型牵引供电系统多能流耦合、多系统融合、多区域联合的广泛互联形态特征，揭示广域分布式能量流时空耦合机理，提出局域单个系统和广域多个系统的能量流均衡机制，为新型牵引供电系统的整体规划配置和稳定运行技术奠定理论根基；研究影响基于储能和新能源构建的新型非电气化铁路牵引供电系统性能、效率、效益关联因素，并揭示效能涌现机理，形成科学评价新能源与轨道交通融合利用价值的理论依据。

4.2　关键技术

4.2.1　规划与优化配置技术

基于能量流均衡理论的系统规划作为新型牵引供电系统的构建起点，直接影响系统主电路拓扑选择、控制算法设计等一系列问题。为提出新型牵引供电系统规划配置设计要素、关键指标及匹配原则，需要重点分析系统结构、组分及功能特征，表征系统供需的量化关系，形成网、源、储、车能量流刻画方法。

根据新型牵引供电系统供电指标、能量流均衡机制和设计要求，提出系统的设计原则和边界条件，并以提高自洽率、保证供电能力、保障经济效益为目标，构建以系统供电能力为约束的最优经济运行目标函数，建立多源协同的最优规划模型及求解算法，从最优设计角度分析源-储配置逻辑及容量测算方法，形成优化设计方案和组分适配评估技术。

4.2.2　高弹性控制技术

源荷随机强波动背景下，柔性化网、源、储、车各组分主动控制特性及复杂行为特征存在匹配失稳隐患，亟须攻克高弹性控制技术予以应对。为提出新型牵引供电系统稳定性实用判据及优化控制策略，需要建立计及精确反映系统运行特性的动态稳定性模型，揭示不同运行工况下网、源、储、车各组分相互作用机理，并研究其对系统稳定性的影响；为提出影响新型牵引供电系统可靠性关键因素与提升方案，需要建立系统可靠性模型，分析复杂动态工况下的供电可靠性并进行表征；为提出新型牵引供电系统局部故障条件下运行模式、控制策略和恢复机制，需要建立系统故障集，揭示故障影响机理。

4.2.3　高效变换与控制技术

新型牵引供电系统的电能变换控制设备是网、源、储、车各组分电气互联与协同互动的物理载体，面对源-荷随机强波动、网压高畸变、牵引网高故障率等恶劣背景条件，需要具备高适应性和强鲁棒性。基于能量转换机理、动态特征和端口外特性，提出电能变换拓扑及主要技术参数评估方法和优化方案；揭示源荷随机强波动特性下电能变换器效率影响机制，提出高效控制算法。透析源荷随机强波动特性对母线电压的影响机理，提出多源协同、多机并联的母线电压稳定控制方法。研究牵引网压高畸变率、强波动、高冲击及高故障率对电能变换器控制性能的影响，提出恶劣网压下变换器高适应性及故障穿越的控制方法；以优先保障重要负荷供电为目标，提出计及源储特性及系统边界条件的模式柔性切换技术和应急供电策略。

4.2.4　能量高效利用与自洽调度技术

能量高效利用与自洽调度技术是实现新型牵引供电系统横向多源互补、纵向网-源-储-车深度互动、随机高波动源-荷能量实时匹配的关键。为提高系统自洽率和能量利用效率，建立源-荷多时间尺度下能量调度模型，提出不同工况下能量优化调度策略；根据新型牵引供电系统能流管控行为对系统运行性能的影响，考虑电压稳定、无功补偿及应急供电等需求，制定不同场景下发挥系统供电能力、保障供电品质能量调控方法。考虑网、源、储、车行为特征，提出信息同步处理和多时间尺度能量高效利用与自洽调度算法，提高可再生能源利用率，充分利用再生制动能量，发挥储能装置缓冲调节作用，实现削峰填谷，保障系统高效运行。

4.2.5　效能评估与性能保持技术

新型牵引供电系统效能水平关乎其社会价值和经济价值，形成准确评估系统效能方法和评价指标体系十分关键。为提出系统效能评价关键指标解析计算、仿真模拟和测试试验方法，面向性能、效率、效益多维效能评价需求，构建涵盖功能类、边界类、性能类的系统级和装备级评价指标体系；基于监测数据多源异构融合、特征提取、压缩存储等应用技术，研究面向服役过程系统运行状态评估技术，提出核心设备运行健康状况自诊断和系统运行安全风险预警方法以及系统效能和性能提升改进方案。

5 结论

（1）基于储能的非电气化铁路新型牵引供电系统是面向非电气化铁路电气化升级的经济优选技术路线之一，具有一定可复制性和推广性。

（2）提出的2大支撑理论和5项关键技术是新型牵引供电系统技术体系框架，为后续开展“理论研究-仿真验证-试验验证-评估优化”循环迭代闭环研究指明方向。

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基金资助

国家能源集团科技创新项目(GJNY-21-89)

中国工程院战略研究与咨询项目(2021-XZ-25)