CN110752654A - 一种有轨电车混合储能***能量调度方法 - Google Patents

一种有轨电车混合储能***能量调度方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110752654A
CN110752654A CN201910929610.2A CN201910929610A CN110752654A CN 110752654 A CN110752654 A CN 110752654A CN 201910929610 A CN201910929610 A CN 201910929610A CN 110752654 A CN110752654 A CN 110752654A
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy
energy storage
bat
charge
lithium battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910929610.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110752654B (zh
Inventor
孙玉坤
丁鹏飞
孟高军
李建林
刘海涛
袁野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Institute of Technology
Original Assignee
Nanjing Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Institute of Technology filed Critical Nanjing Institute of Technology
Priority to CN201910929610.2A priority Critical patent/CN110752654B/zh
Publication of CN110752654A publication Critical patent/CN110752654A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110752654B publication Critical patent/CN110752654B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/46—Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
    • H02J7/1423—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle with multiple batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/80—Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
    • Y02T10/92—Energy efficient charging or discharging systems for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors specially adapted for vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

本发明公开了一种有轨电车混合储能***能量调度方法，包括以下步骤：(1)采集列车行驶特性确定列车牵引负荷能量；将实时监测的列车功率和超级电容器荷电状态通过模糊控制得到锂电池储能单元的充电倍率，计算出两种储能单元的最大充放电功率；(2)计算混合储能***容量，根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法计算混合储能***中两种储能单元各自的预分配能量；(3)基于两种储能单元各自的实时荷电状态对其预分配能量进行二次修正，并以最大充放能量和步骤(1)所得的最大充放电功率为约束条件，将二次修正的能量值再乘以调整系数，确定两种储能单元的能量分配。本发明为有轨电车的能量回收提高了能量利用效率以及***稳定性。

Description

一种有轨电车混合储能***能量调度方法
技术领域
本发明涉及一种城市轨道交通***的能量调度方法，尤其涉及一种有轨电车混合储能***能量调度方法。
背景技术
随着经济快速发展，城市人口不断增多，城市化进程不断加快，交通日益堵塞，全球能源消耗也在不断增加。为了解决上述问题，城市轨道交通应运而生，其具有运输量大、环境友好度高、密度高、准点舒适、安全可靠等特点，城市轨道交通的快速崛起成为解决我国人口多、交通不便的关键。直至今日，全世界建成包括地铁、轻轨的轨道交通工程已有300多个城市。在发达国家，城市轨道交通成为城市交通的主体，约占总客运量的50％-80％：巴黎轨道交通***总长度超过1200km；东京坐拥2000km左右的轨道交通***；伦敦也超过了1000km。在我国铁路营运总里程已超过13万公里，其中高速铁路营运里程达到2.9万公里，城市轨道交通营运里程达到5761公里。预计到达2030年，高速铁路运营里程将翻番，城市轨道交通也将得到飞速发展，基本实现省会高铁畅通、地市互联互通。
城市轨道交通对民众出行提供巨大便利，但也带来了不可忽视的问题一巨大的能源消耗。据统计，城市轨道交通用于照明、空调等辅助服务的耗电量约10％，牵引供电耗电量约90％，而再生制动能量约占牵引能量的40％，甚至更多。造成这一现象的主要原因包括：(1)交通网与地区能源网存在交集，但无法消纳就近的可再生能源；(2)城市轨道交通***起停时产生的大量可再生能源未被回收与合理利用；(3)需求侧响应技术不够完善，未充分挖掘轨道交通负荷的可调度性特性。除此以外，城市轨道交通车辆在制动时产生的再生制动能量相当可观，且这些能量只能用于同时在线上加速的车辆，如不加以利用，会给牵引网带来安全隐患一导致列车牵引网电压大幅度提升，甚至引起再生制动失效的问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种有轨电车混合储能***能量调度方法，能够提高有轨电车能量回收***的能量利用效率以及***稳定性。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种有轨电车混合储能***能量调度方法，应用于有轨电车能量回收***，所述***包括用于有轨电车能量回收的混合储能***、牵引变电站和控制模块，所述混合储能***包括并联的锂电池储能单元和超级电容储能单元，所述控制模块执行能量调度方法，所述能量调度方法包括以下步骤：
(1)采集列车行驶特性，计算列车牵引负荷能量；采集实时监测的列车功率和超级电容器荷电状态，通过模糊控制得到锂电池储能单元的充电倍率，并由所述充电倍率计算出两种储能单元的最大充放电功率；
步骤(1)中所述的列车牵引负荷能量ES计算式为：
ES＝E-EL
其中，再生制动能量E为：
式中Fb是列车总制动力，a’是平均制动减速度，V为列车速度，V3是列车最高运行速度；
列车空气损耗EL为：
式中V2是恒功区间到特性区间转折速度，a2是恒转矩区间瞬时减速度，C2为常数。
在计算两种储能单元的最大充放电功率时，最好是采用锂电池“首末站”充电模式，超级电容器采用“站站”充电模式，所述“首末站”充电模式是在列车到达首、末站点时，对列车充电；所述“站站”充电方式是指列车每次停靠站点都进行充电。这种方案更适合实际应用。采用此种充电模式计算的具体步骤是：
(21)采集实时监测的功率Pd和超级电容器荷电状态SOCcap，通过模糊控制输出倍率的隶属函数，与根式惩罚系数f相乘后，再乘以锂电池最大倍率Cbat，max得到锂电池单元的充电倍率C*bat；其中，根式惩罚系数f为：
Figure BDA0002217647810000023
式中，SOCbat(k)、SOCbat，max和SOCbat，min分别为锂电池单元荷电状态的实时值、最小值和最大值；k为离散的时间序列。
(22)超级电容和锂电池的最大充电功率Pcap，ch，max、Pbat，ch，max表达式分别为：
Figure BDA0002217647810000024
式中，Vcap，rate为超级电容***额定电压，Vcap，min为其运行中的最低电压，tuc为充电时间，Vbat，max为锂电池单元充电至指定荷电状态的电压，C*bat为锂电池单元充电倍率，Qbat为锂电池单元额定容量。
(2)由步骤(1)得到的列车牵引负荷能量，计算混合储能***容量，根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法计算混合储能***中两种储能单元各自的预分配能量。计算包括以下过程：
(31)车辆起停时的负荷波动能量优先由混合储能***提供，即混合储能***容量Ehess为：
Ehess＝ES-Egrid
式中，Egrid为牵引电站离线预测能量，由牵引电站的历史运行特性预测得到。
(32)根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法对混合储能***容量Ehess进行能量预先分配，
t时刻锂电池预分配能量为：
Figure BDA0002217647810000031
式中，ΔT为采样时间间隔，τ为时间常数；
超级电容器预分配能量Ecap(t)为：
Ecap_ref(t)＝Ehess(t)-Ebat_ref(t)
(3)基于两种储能单元各自的实时荷电状态对其预分配能量进行二次修正，并以最大充放能量和步骤(1)所得的最大充放电功率为约束条件，将二次修正的能量值再乘以调整系数，确定两种储能单元的能量分配。
一种具体的二次修正方案是：
(41)当储能单元的实时荷电状态高于储能单元离线荷电状态阈值以上时，超级电容超出阈值部分由电池承担，电池超出阈值部分由牵引变电站承担；所述的阈值取值10％，当储能单元的实时荷电状态高于储能单元离线荷电状态10％以上时，超级电容的二次修正量为；
Figure BDA0002217647810000032
式中，SOCcap(t)为超级电容调整策略前的实时荷电状态，SOCCAP(t)为超级电容离线时的荷电状态，Ecap为超级电容预分配能量；ΔT为采样时间间隔；
锂电池的二次修正量为：
Figure BDA0002217647810000033
式中，SOCbat(t)为锂电池调整策略前的实时荷电状态，SOCBAT(t)为锂电池离线时的荷电状态，Ebat为锂电池预分配能量。
(42)当储能单元的实时荷电状态低于储能单元离线荷电状态阈值以下时，超级电容低出阈值部分由电池承担，电池低出阈值部分通过降低牵引变电站输出功率来修正，若出现未吸收完的制动量，则通过制动电阻消耗；所述的阈值取值10％，当储能单元的实时荷电状态低于储能单元离线荷电状态10％以下时，超级电容和锂电池的二次修正量分别为；
Figure BDA0002217647810000042
式中，SOCcap(t)为超级电容调整策略前的实时荷电状态，SOCCAP(t)为超级电容离线时的荷电状态，Ecap为超级电容预分配能量；SOCbat(t)为锂电池调整策略前的实时荷电状态，SOCBAT(t)为锂电池离线时的荷电状态，Ebat为锂电池预分配能量。
(43)将储能单元荷电状态平均分为5个区间，分别为过放、低荷电、正常、高荷电以及过充状态，当储能单元处于低荷电状态且放电时或者处于高荷电状态且充电时，引入调整系数a，计算储能单元调整能量Ead(t)＝aEref(t)，其中Eref为调整前的储能单元能量。所述的调整系数a的取值如下：
如果0＜Ebat_ref(t)＜Det，则调整系数a＝1；若Det＜Ebat_ref(t)＜Ebat_max(t)-Det，a＝Det/Ebat_ref(t)；若Ebat_max(t)-Det＜Ebat_ref(t)＜+∞，此时调整系数取a＝Det/(Ebat_max(t)-Det)；
如果-Det＜Ebat_ref(t)＜0，则调整系数a＝1；若-Ebat_max(t)+Det＜Ebat_ref(t)＜-Det，a＝Det/Ebat_ref(t)；若-∞＜Ebat_ref(t)＜-Ebat_max(t)+Det，此时调整系数取a＝Det/(Ebat_max(t)-Det)；
式中Det为设定值，Ebat_max为锂电池最大充放能量，Ebat_ref为锂电池实时能量。
有益效果：相对于现有技术，本发明具有以下优点：1、本发明应用在基于锂电池与超级电容器并联的混合储能***中，超级电容储能装置将多余的再生制动能量吸收存储，在机车启动加速时释放能量供给电机牵引使用，以达到节约电能、避免能量浪费的目的。2、本发明所述的调度方法能够稳定牵引网电压，减小电压波动。当机车启动加速时牵引网电压会急剧下降，储能装置可以释放能量抬高网压；同时机车再生制动时产生的能量会抬高网压，甚至造成再生制动失效，此时储能装置存储能量降低牵引网电压，减少了电压大幅度波动。3、本发明所述的能量调度方法能够对电池储能***与超级电容储能***进行充放电功率调整，优化两种储能元件出力情况，提高再生制动能量回收利用率。
附图说明
图1是本发明所述的混合储能***联合发电示意图；
图2是城轨列车制动减速特性曲线；
图3是本发明所述的模糊控制框架结构及模糊控制规则；
图4是本发明所述的混合储能***能量分配图；
图5是本发明所述的混合储能***荷电状态分布图；
图6是本发明所述的混合储能***调度策略图；
图7是本发明所述的调整系数a的取值规则图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的有轨电车混合储能***能量调度方法，应用于有轨电车能量回收***，如图1所示，有轨列车和混合储能***分别接电网，电网中含有其他负载，混合储能***包括锂电池与超级电容器，二者并联。有轨电车、混合储能***分别与控制模块相连，控制模块用于执行本发明的能量调度方法。牵引变电站通过降压变压器降压，并通过AC/DC变流器将交流转换为直流，混合储能***与牵引电站的直流电接在直流母线上，共同为有轨电车提供能量。本专利发明的方法将模糊控制、傅里叶分解、基于SOC修正调整策略、调整系数a结合在一起，提高了有轨电车混合储能***能量调度的效率。本发明所述的混合储能***能量调度策略如图6所示。
本发明所述的有轨电车混合储能***能量调度方法，具体实施包括以下步骤：
(1)采集列车行驶特性，计算列车牵引负荷能量；采集实时监测的列车功率和超级电容器荷电状态，通过模糊控制得到锂电池储能单元的充电倍率，并由所述充电倍率计算出两种储能单元的最大充放电功率。
根据列车行驶特性确定列车制动时产生的再生制动能量E，并考虑列车空气损耗EL，确定列车牵引负荷能量ES，具体计算过程如下：
根据列车再生制动特性曲线方程及公式P＝Be·V，计算出再生制动功率P的瞬时值，然后通过积分计算再生制动能量E，并考虑列车空气损耗EL，从而得到列车牵引负荷能量ES。其中，Be为再生制动力，V为瞬时速度；再生制动特性曲线如图2中所示。图2为城轨列车制动减速特性曲线，从图中可知整个减速过程包括三个区域：恒转矩区、恒功率区和自然特性区。为了充分利用再生制动力，制动恒转矩区往往被延长到特性区，即B点延长到C点。目前轨道交通中车辆制动时，一般采用减速度制停，从图中可知列车在高速区制动时，再生制动不足，需要空气制动力补足。
自然特性区CD：
Figure BDA0002217647810000061
恒转矩区AC：
PAC＝BeAC·V＝C1·V (2)
其中C1、C2为常数。
列车从初速V0做减速度一定的减速运动可知：
V2-V0 2＝2aS (3)
其中V为质点的瞬时速度；V0为质点的初速度，一般为恒值(5km/h)；a为质点的加速度；S为质点的位移。
Figure BDA0002217647810000062
Figure BDA0002217647810000063
Figure BDA0002217647810000064
列车在再生制动曲线各特征区间内产生的再生能量为：
Figure BDA0002217647810000065
Figure BDA0002217647810000066
其中V1是恒转矩区间到恒功率区间转折速度；V2是恒功区间到特性区间转折速度；V3是列车最高运行速度。a1是恒转矩区间瞬时减速度；a2是恒转矩区间瞬时减速度。
列车在制动时间内产生的总能量为：
Figure BDA0002217647810000067
其中Fb是列车总制动力，a’是平均制动减速度。
列车在高速区空气制动消耗能量EL为：
Figure BDA0002217647810000068
列车牵引负荷能量ES为：
ES＝E-EL (11)
将实时监测的功率Pd和超级电容器荷电状态SOCcap作为模糊函数的输入，模糊化充放电倍率，并输出倍率的隶属函数，确定两种储能单元的充放电最大功率。具体的计算过程如下：
考虑锂电池能量密度大与超级电容器功率密度大、充放电时间快、安全的特性，锂电池采用“首末站”充电模式，超级电容器采用“站站”充电方式。“首末站”充电模式是在列车到达首、末站点时，对列车充电；“站站”充电方式是指列车每次停靠站点都进行充电。因此，将实时监测的列车功率Pd和超级电容器荷电状态SOCcap作为模糊函数的输入。根据列车牵引、制动、停车充电等不同运行状态触发相应功率控制；当储能装置处于充电模式时，储能***将不再需要控制。计算储能元件的充放电最大功率包括以下过程：
(21)根据如图3所示的模糊控制规则，模糊化储能***的充放电倍率，输出倍率的隶属函数，与根式惩罚系数f相乘后，再乘以最大倍率Cbat，max即可得到最后的倍率给定C*bat。其中，根式惩罚系数f旨在调节电池倍率的幅度，以实现优化模型在储能***配置、充电站容量和电池***充电时间之间的平衡，具体形式为：
式中，SOCbat(k)、SOCbat，max和SOCbat，min分别为锂电池***SOC的实时值、最小值和最大值；k为离散的时间序列。
(22)超级电容“站站充”和锂电池“首末充”两种模式下的最大充电功率Pcap，ch，max、Pbat，ch，max表达式为：
式中，Vcap，rate为超级电容***额定电压，Vcap，min为其运行中的最低电压，tuc为充电时间，Vbat，max为锂电池***充电至指定SOC的电压，C*bat为锂电池***充电倍率，Qbat为锂电池***额定容量。
(2)根据列车起停的典型特性，采用低通滤波算法对混合储能***进行能量分配，该分配为预分配过程，需要后续修正。低通滤波算法的频率截至点是通过傅里叶分解得到的分频点fhess。具体分配过程如下：
(31)由公式(11)可知列车牵引负荷能量Es＝E-EL，为尽量减少牵引电站的能量波动，车辆起停时的负荷波动能量优先由混合储能***提供，即混合储能***容量Ehess为：
Ehess＝ES-Egrid (14)
式中，Egrid为牵引电站离线预测能量，是根据牵引电站的历史运行特性，预测其可为有轨列车提供的能量。
(32)列车起停相对典型，利用DFT和IDFT对已知的列车起停时负荷能量曲线进行分解，得到锂电池与超级电容器的分频点fhess，作为低通滤波算法的频率截至点，通过低通滤波算法对混合储能***实时波动部分Ehess进行能量预先分配。
能量的预分配按照如图4所示的算法进行，由图4可以推出t时刻，混合储能***能量Ehess与锂电池实时能量Ebat_ref的关系：
Figure BDA0002217647810000081
式中，ΔT为采样时间间隔，τ为时间常数。
对公式(15)变换可得锂电池实时能量：
故超级电容器实时能量Ecap(t)为：
Ecap_ref(t)＝Ehess(t)-Ebat_ref(t) (17)
可以看出，随着时间常数τ的增加，Ebat_ref(t)接近Ebat_ref(t-ΔT)，锂电池能量曲线越平滑，与此同时，Ecap_ref(t)会逐渐增加。当时间常数τ逐渐减小时，Ebat_ref(t)将接近Ehess_ref(t)的值，能量曲线波动会越来越大。
(4)考虑实时负荷与离线补偿负荷能量存在误差，采用基于SOC修正调整策略对能量分配结果进行二次修正，并结合SOC状态与调整系数a来确定储能元件的能量，以防过充过放，保证储能元件安全运行。
通过储能***补偿实时负荷能量波动，由于与离线补偿负荷能量的差异，会使储能***的离线补偿能量与实际能量偏差持续累积，这导致了储能***的调度计划调整量越来越大。为了减小这一偏差，需要根据储能***的SOC修正牵引负荷能量实时波动累积引起的偏差量。具体调整策略如下：
(41)当混合储能***的实时荷电状态高于混合储能***离线荷电状态10％以上时，超级电容超出部分由电池承担，电池超出部分由牵引变电站承担。
Figure BDA0002217647810000091
式中，SOCcap(t)为超级电容调整策略前的实时SOC状态，SOCCAP(t)为超级电容离线时的SOC状态，ΔEcap为超级电容的二次修正量，Ecap为超级电容预分配能量。
锂电池的二次修正量为：
Figure BDA0002217647810000092
式中，SOCbat(t)为锂电池调整策略前的实时SOC状态，SOCBAT(t)为锂电池离线时的SOC状态，ΔEbat为锂电池的二次修正量，Ebat为锂电池预分配能量。
(42)当混合储能***的实时荷电状态低于混合储能***离线荷电状态10％以下时，超级电容低出部分由电池承担，电池低出部分可以通过降低牵引变电站输出功率来修正，若出现未吸收完的制动量，则可以通过制动电阻消耗掉。
Figure BDA0002217647810000093
(43)由于混合储能***的容量有限，直接利用低通滤波和基于SOC的储能***控制策略得到的混合储能能量分配，有可能因为电池和超级电容的充放电功率大于其额定充放电功率，或因为电池或者超级电容的剩余容量不满足电池和超级电容的充放电功率指令，导致电池或者超级电容过充过放，降低储能***的使用寿命。为了避免电池和超级电容过充过放，需根据混合储能***的SOC和混合储能***的最大充放电功率，进行混合储能***充放电功率的二次调整。具体是将储能***荷电状态平均分为5个区间，结合所述的最大充放电功率，引入调整系数a，计算不同区间的充放能量。
储能***荷电状态分布图如图5所示，S1、S2、S3、S4和S5为储能***SOC的五种状态，SOCmin和SOCmax为储能装置SOC的上下限，当储能***SOC到达上下限时应禁止其SOC越限。SOChigh和SOClow为过充警戒上限和过放警戒下限。下面以锂电池为例，对基于SOC的储能***过充过放电功率保护策略进行介绍：
(a)锂电池的SOC状态位于S1区。此时锂电池的充放能量只需满足在最大充放能量范围内即可，不需要额外调整，即：
Figure BDA0002217647810000101
式中Ebat_ad(t)为锂电池调整后的能量。Ebat_ref(t)为锂电池调整前的能量。Ebat_max为锂电池最大充放能量。
(b)锂电池的SOC状态位于S2区。此时锂电池的SOC处于较低状态，对于在满足最大充放能量范围内，若锂电池放电可不作调整，若锂电池充电时需对充放能量进行调整，调整系数为a。
Figure BDA0002217647810000102
(c)锂电池的SOC状态位于S3区。此时锂电池的SOC处于较高状态，对于在满足最大充放能量范围内，锂电池充电可不作调整，若锂电池放电时需对充放能量进行调整，调整系数为a。
Figure BDA0002217647810000103
(d)锂电池的SOC状态位于S4区。锂电池已经处于过充状态，锂电池只允许放电不允许充电。
Figure BDA0002217647810000104
(e)锂电池的SOC状态位于S5区。超级电容已经处于过放状态，超级电容只允许充电不允许放电。
Figure BDA0002217647810000105
在上述过充过放电功率保护策略中，调整系数a的取值如图7所示。
当SOC状态较高且锂电池充电时，如果0＜Ebat_ref(t)＜Det，则调整系数a＝1，既此时误差较小，不需要进行引入调整系数；若Det＜Ebat_ref(t)＜Ebat_max(t)-Det，a＝Det/Ebat_ref(t)；若Ebat_max(t)-Det＜Ebat_ref(t)＜+∞，此时该时间段内锂电池的调整系数只能取a＝Det/(Ebat_max(t)-Det)。其中，
当SOC状态较低且锂电池放电时，如果-Det＜Ebat_ref(t)＜0，则调整系数a＝1，既此时误差较小，不需要进行引入调整系数；若-Ebat_max(t)+Det＜Ebat_ref(t)＜-Det，a＝Det/Ebat_ref(t)；若-∞＜Ebat_ref(t)＜-Ebat_max(t)+Det，此时该时间段内锂电池的调整系数只能取a＝Det/(Ebat_max(t)-Det)。Det为调整系数设定值；锂电池与超级电容共同组成混合储能***功率、容量分配。锂电池的能量确定，超级电容即可确定。故在这里只对锂电池进行计算。

Claims (9)

1.一种有轨电车混合储能***能量调度方法，应用于有轨电车能量回收***，所述***包括用于有轨电车能量回收的混合储能***、牵引变电站和控制模块，所述混合储能***包括并联的锂电池储能单元和超级电容储能单元，所述控制模块执行能量调度方法，其特征在于，所述能量调度方法包括以下步骤：
(1)采集列车行驶特性，计算列车牵引负荷能量；采集实时监测的列车功率和超级电容器荷电状态，通过模糊控制得到锂电池储能单元的充电倍率，并由所述充电倍率计算出两种储能单元的最大充放电功率；
(2)由步骤(1)得到的列车牵引负荷能量，计算混合储能***容量，根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法计算混合储能***中两种储能单元各自的预分配能量；
(3)基于两种储能单元各自的实时荷电状态对其预分配能量进行二次修正，并以最大充放能量和步骤(1)所得的最大充放电功率为约束条件，将二次修正的能量值再乘以调整系数，确定两种储能单元的能量分配。
2.根据权利要求1所述的有轨电车混合储能***能量调度方法，其特征在于：步骤(1)中所述的列车牵引负荷能量ES计算式为：
ES＝E-EL
其中，再生制动能量E为：
Figure FDA0002217647800000011
式中Fb是列车总制动力，a’是平均制动减速度，V为列车速度，V3是列车最高运行速度；
列车空气损耗EL为：
Figure FDA0002217647800000012
式中V2是恒功区间到特性区间转折速度，a2是恒转矩区间瞬时减速度，C2为常数。
3.根据权利要求1所述的有轨电车混合储能***能量调度方法，其特征在于：步骤(1)中所述的计算两种储能单元的最大充放电功率，计算时锂电池采用“首末站”充电模式，超级电容器采用“站站”充电模式，所述“首末站”充电模式是在列车到达首、末站点时，对列车充电；所述“站站”充电方式是指列车每次停靠站点都进行充电。
4.根据权利要求3所述的有轨电车混合储能***能量调度方法，其特征在于：步骤(1)所述的计算两种储能单元的最大充放电功率包括以下过程：
(21)采集实时监测的功率Pd和超级电容器荷电状态SOCcap，通过模糊控制输出倍率的隶属函数，与根式惩罚系数f相乘后，再乘以锂电池最大倍率Cbat，max得到锂电池单元的充电倍率C*bat；其中，根式惩罚系数f为：
Figure FDA0002217647800000021
式中，SOCbat(k)、SOCbat，max和SOCbat，min分别为锂电池单元荷电状态的实时值、最小值和最大值；k为离散的时间序列。
(22)超级电容和锂电池的最大充电功率Pcap，ch，max、Pbat，ch，max表达式分别为：
Figure FDA0002217647800000022
式中，Vcap，rate为超级电容***额定电压，Vcap，min为其运行中的最低电压，tuc为充电时间，Vbat，max为锂电池单元充电至指定荷电状态的电压，C*bat为锂电池单元充电倍率，Qbat为锂电池单元额定容量。
5.根据权利要求1所述的有轨电车混合储能***能量调度方法，其特征在于：步骤(2)所述的采用低通滤波算法计算混合储能***中两种储能单元各自的预分配能量，包括以下过程：
(31)车辆起停时的负荷波动能量优先由混合储能***提供，即混合储能***容量Ehess为：
Ehess＝ES-Egrid
式中，Egrid为牵引电站离线预测能量，由牵引电站的历史运行特性预测得到；
(32)根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法对混合储能***容量Ehess进行能量预先分配，
t时刻锂电池预分配能量为：
Figure FDA0002217647800000023
式中，ΔT为采样时间间隔，τ为时间常数；
超级电容器预分配能量Ecap(t)为：
Ecap_ref(t)＝Ehess(t)-Ebat_ref(t) 。
6.根据权利要求1所述的有轨电车混合储能***能量调度方法，其特征在于：所述步骤(3)包括以下过程：
(41)当储能单元的实时荷电状态高于储能单元离线荷电状态阈值以上时，超级电容超出阈值部分由电池承担，电池超出阈值部分由牵引变电站承担；
(42)当储能单元的实时荷电状态低于储能单元离线荷电状态阈值以下时，超级电容低出阈值部分由电池承担，电池低出阈值部分通过降低牵引变电站输出功率来修正，若出现未吸收完的制动量，则通过制动电阻消耗；
(43)将储能单元荷电状态平均分为5个区间，分别为过放、低荷电、正常、高荷电以及过充状态，当储能单元处于低荷电状态且放电时或者处于高荷电状态且充电时，引入调整系数a，计算储能单元调整能量Ead(t)＝aEref(t)，其中Eref为调整前的储能单元能量。
7.根据权利要求6所述的有轨电车混合储能***能量调度方法，其特征在于：步骤(41)中所述的阈值取值10％，当储能单元的实时荷电状态高于储能单元离线荷电状态10％以上时，超级电容的二次修正量为；
式中，SOCcap(t)为超级电容调整策略前的实时荷电状态，SOCCAP(t)为超级电容离线时的荷电状态，Ecap为超级电容预分配能量；ΔT为采样时间间隔；
锂电池的二次修正量为：
式中，SOCbat(t)为锂电池调整策略前的实时荷电状态，SOCBAT(t)为锂电池离线时的荷电状态，Ebat为锂电池预分配能量。
8.根据权利要求6所述的有轨电车储能单元能量调度方法，其特征在于：步骤(42)中所述的阈值取值10％，当储能单元的实时荷电状态低于储能单元离线荷电状态10％以下时，超级电容和锂电池的二次修正量分别为；
Figure FDA0002217647800000033
Figure FDA0002217647800000041
式中，SOCcap(t)为超级电容调整策略前的实时荷电状态，SOCCAP(t)为超级电容离线时的荷电状态，Ecap为超级电容预分配能量；SOCbat(t)为锂电池调整策略前的实时荷电状态，SOCBAT(t)为锂电池离线时的荷电状态，Ebat为锂电池预分配能量。
9.根据权利要求6所述的有轨电车混合储能***能量调度方法，其特征在于：步骤(43)中所述的调整系数a的取值如下：
如果0＜Ebat_ref(t)＜Det，则调整系数a＝1；若Det＜Ebat_ref(t)＜Ebat_max(t)-Det，a＝Det/Ebat_ref(t)；若Ebat_max(t)-Det＜Ebat_ref(t)＜+∞，此时调整系数取a＝Det/(Ebat_max(t)-Det)；
如果-Det＜Ebat_ref(t)＜0，则调整系数a＝1；若-Ebat_max(t)+Det＜Ebat_ref(t)＜-Det，a＝Det/Ebat_ref(t)；若-∞＜Ebat_ref(t)＜-Ebat_max(t)+Det，此时调整系数取a＝Det/(Ebat_max(t)-Det)；
式中Det为设定值，Ebat_max为锂电池最大充放能量，Ebat_ref为锂电池实时能量。
CN201910929610.2A 2019-09-27 2019-09-27 一种有轨电车混合储能***能量调度方法 Active CN110752654B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910929610.2A CN110752654B (zh) 2019-09-27 2019-09-27 一种有轨电车混合储能***能量调度方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910929610.2A CN110752654B (zh) 2019-09-27 2019-09-27 一种有轨电车混合储能***能量调度方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110752654A true CN110752654A (zh) 2020-02-04
CN110752654B CN110752654B (zh) 2023-04-21

Family

ID=69277407

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910929610.2A Active CN110752654B (zh) 2019-09-27 2019-09-27 一种有轨电车混合储能***能量调度方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110752654B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111628515A (zh) * 2020-06-18 2020-09-04 安徽能汇轨道交通技术有限公司 用于轨道交通的地面式混合储能***控制方法
CN112271801A (zh) * 2020-09-24 2021-01-26 中车青岛四方车辆研究所有限公司 一种无接触网供电城轨列车的储能控制方法
CN113472053A (zh) * 2021-07-02 2021-10-01 湘潭大学 一种牵引负荷双重应用混合储能容量优化方法
CN113533847A (zh) * 2021-08-09 2021-10-22 盾石磁能科技有限责任公司 轨道交通再生制动能量计量方法及计量设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104242329A (zh) * 2014-09-12 2014-12-24 上海电力学院 基于模糊控制规则的微电网混合储能***功率分配方法
CN105576683A (zh) * 2016-01-11 2016-05-11 北京北交新能科技有限公司 一种轨道交通用多能源储能***和能量分配策略
CN108110877A (zh) * 2017-12-12 2018-06-01 中国科学院广州能源研究所 一种地铁用混合储能***
CN108099635A (zh) * 2017-11-13 2018-06-01 山东斯博科特电气技术有限公司 燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制***

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104242329A (zh) * 2014-09-12 2014-12-24 上海电力学院 基于模糊控制规则的微电网混合储能***功率分配方法
CN105576683A (zh) * 2016-01-11 2016-05-11 北京北交新能科技有限公司 一种轨道交通用多能源储能***和能量分配策略
CN108099635A (zh) * 2017-11-13 2018-06-01 山东斯博科特电气技术有限公司 燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制***
CN108110877A (zh) * 2017-12-12 2018-06-01 中国科学院广州能源研究所 一种地铁用混合储能***

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
魏文婧等: "基于铁路功率调节器的高速铁路牵引供电***储能方案及控制策略" *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111628515A (zh) * 2020-06-18 2020-09-04 安徽能汇轨道交通技术有限公司 用于轨道交通的地面式混合储能***控制方法
CN112271801A (zh) * 2020-09-24 2021-01-26 中车青岛四方车辆研究所有限公司 一种无接触网供电城轨列车的储能控制方法
CN112271801B (zh) * 2020-09-24 2022-03-04 中车青岛四方车辆研究所有限公司 一种无接触网供电城轨列车的储能控制方法
CN113472053A (zh) * 2021-07-02 2021-10-01 湘潭大学 一种牵引负荷双重应用混合储能容量优化方法
CN113472053B (zh) * 2021-07-02 2022-05-24 湘潭大学 一种牵引负荷双重应用混合储能容量优化方法
CN113533847A (zh) * 2021-08-09 2021-10-22 盾石磁能科技有限责任公司 轨道交通再生制动能量计量方法及计量设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN110752654B (zh) 2023-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110752654B (zh) 一种有轨电车混合储能***能量调度方法
Barrero et al. Energy savings in public transport
CN108110877B (zh) 一种地铁用混合储能***
US9290107B2 (en) System and method for energy management in an electric vehicle
WO2015135330A1 (zh) 有轨电车动力***及控制方法
Ogasa Application of energy storage technologies for electric railway vehicles—examples with hybrid electric railway vehicles
CN108340788A (zh) 一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***及方法
CN106809060B (zh) 轨道交通***的牵引电源***及其控制方法
CN108832611B (zh) 一种轨道交通应急电源***与控制方法
CN106080223A (zh) 一种锂电池与超级电容器双能源功率分配控制***及方法
CN108454449B (zh) 一种虚拟轨道交通列车分布式电源***及匹配控制方法
CN107933326A (zh) 一种双源无轨电车电电耦合控制方法及动力装置
CN104158242A (zh) 一种轨道交通制动能量储存利用装置
CN109968991B (zh) 用于轨道交通的直流牵引供电***及其控制方法
CN107745644A (zh) 基于能量转移的城轨交通电池储能***放电阈值动态调整控制方法
CN111806235B (zh) 一种车地一体多功能应急储能供电***及其控制方法
CN108790840A (zh) 一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法和***
CN110641457B (zh) 基于坡度识别的混联式宽体自卸车的控制***和方法
CN206202005U (zh) 一种用于纯电动车的动力***
CN112009272B (zh) 一种双流制机车储能***的控制方法及***
Guo et al. Optimization of peak load shifting control strategy for battery energy storage system used in urban rail transit
CN106515466B (zh) 电动车辆及其充电控制***与方法
CN113725885A (zh) 城市轨道交通牵引错峰填谷稳定回收储能供电量控制方法
Ogasa et al. Power flow control for hybrid electric vehicles using trolley power and on-board batteries
CN112271763A (zh) 一种混合储能***功率分配装置和方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant