CN111806253A - 一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市轨道交通再生制动能量利用技术领域，且公开了一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法，其特征包含以下步骤：①采用了HESS的城市轨道交通牵引网能量流动；②提出了基于并行双环结构的控制方法；③在这种控制方法中，考虑充电过程的电压外环指令值给定；④列车制动时；⑤储能元件启动。该地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法，基于现有典型城轨地面式混合储能装置控制结构存在的缺点，本专利提出基于并行双环结构的控制方法，可有效减少制动电阻和空气制动的启动，从而减少能量损耗和闸瓦损耗，提高储能装置的节能率。

Description

一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通再生制动能量利用技术领域，具体为一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法。

背景技术

城市轨道交通以其相对较低的能耗与运力比，已经成为满足世界各国交通需求的一种日益普遍的选择，据统计数据显示，列车制动能量约占牵引能量的30-60％，有效利用这部分再生制动能量可以大大降低列车运行的能耗，从而提高节能效果，为了回收再生制动能量，稳定网压，越来越多的储能装置被安装在牵引供电***中，电池、飞轮和超级电容是城市轨道交通中常用的储能元件。

目前，电池和超级电容单储能元件的应用研究已经非常成熟，但由于电池储能***的特性，在应用中存在温度特性差，循环寿命短、功率密度低等问题，超级电容也由于其体积较大、能量密度较低，在应用中难以满足能量性需求。

现有典型的城轨地面式混合储能***控制方法，该结构依旧沿用单储能装置的控制结构，包括单电压环和双电流环，电池和超级电容共用电压外环控制器检测直流网压作为反馈，将直流网压与充电阈值或放电阈值的差值通过PI调节器得到储能装置的充放电功率指令值；然后分配电池和超级电容承担的充放电功率，并得到电池和超级电容的充放电电流指令值；电流内环控制器分别检测电池和超级电容的充放电电流作为反馈，将反馈与电流指令值的差值通过PI调节器得到储能***双向DC/DC变换器上下管的控制脉冲，实现对储能***的控制。

这种控制策略较为简单，但也存在缺点，这种控制方法中使电池和超级电容共用同一电压环，在不同工况下始终保持相同的电压外环阈值，不利于电池和超级电容发挥各自的储能优势，会导致制动电阻和空气制动启动频繁，能量以热能的形式耗散，不仅造成能量浪费，且带来隧道温升、闸瓦损耗等问题，因此，我们提出一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法来解决上述问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法，具备可有效减少制动电阻和空气制动的启动，从而减少能量损耗和闸瓦损耗，提高储能装置的节能率等优点，解决了在不同工况下始终保持相同的电压外环阈值，不利于电池和超级电容发挥各自的储能优势，会导致制动电阻和空气制动启动频繁，能量以热能的形式耗散，不仅造成能量浪费，且带来隧道温升、闸瓦损耗的问题。

(二)技术方案

为实现上述有效减少制动电阻和空气制动的启动，从而减少能量损耗和闸瓦损耗，提高储能装置的节能率的目的，本发明提供如下技术方案：一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法，其特征是按以下步骤进行：

步骤1)采用了HESS的城市轨道交通牵引网能量流动；

电池和超级电容通过双向DC/DC变换器并联在直流母线上，能量流动为列车处于牵引、制动工况时的情况，其中P_sub为变电站输出功率，P_d为储能装置放电功率，P_c为储能装置充电功率，P_t为列车的牵引功率，P_b为列车制动功率，P_cross为列车能量交互功率，P_m为空气制动功率，P_line为线路损耗，相应的能量为对应功率对时间的积分，能量流动情况可以用下式(1)、(2)表示：

P_b＝P_c+P_cross+P_line1+P_m (1)

P_t＝P_sub+P_cross+P_d-P_line2 (2)；

步骤2)为了实现对两种储能元件的有效控制，提出了基于并行双环结构的控制方法；

U_stch为储能元件的充电启动电压，U_std为储能元件的放电启动电压，I_dc为储能装置高压侧电流，U_char*为储能元件电压外环充电电压给定值，U_dis**为储能元件电压外环放电电压给定值，k₁、k₂分别为电池和超级电容充电时给定电压的变化斜率，k₃、k₄分别为电池和超级电容放电时给定电压的变化斜率。该控制结构将电池和超级电容的电压外环分开进行独立控制，分别给定其充放电电压的指令值；

步骤3)在这种控制方法中，考虑充电过程的电压外环指令值给定；

I_dc为储能装置高压侧电流，U*为储能元件电压外环电压给定值，U_std为储能元件放电电压给定值，U₀为空载电压，U_{stch_1、2}为储能元件1、2的充电启动电压，为避免储能装置不必要的充放电，充电启动电压需高于空载电压，放电电压指令值需低于空载电压，U_{ch_M}为电压外环指令值的最大值，I₁为储能元件2启动时，储能元件1的充电电流，P₁为此时储能元件1的充电功率，I_{ch_M}为充电电流最大值，r₁为a段曲线的斜率，r₂为b段曲线的斜率，其中

步骤4)当列车制动时，根据牵引网电压和储能元件充电启动电压的比较，决定该储能元件是否投入运行，如式(5)所示：

若网压抬升至储能元件1的启动电压U_{stch_1}，则储能元件1投入运行，且电压外环指令值根据a段曲线变化，储能装置工作电流越大，电压外环给定值越高，直至网压抬升至储能元件2的启动电压U_{stch_2}，则储能元件2也投入运行。由于两种储能元件并联于同一直流母线，因此二者同时运行时，电压外环指令值均根据b段曲线变化。图中I_{ch_M}由储能装置最大充电功率P_max和电压外环指令值的最大值U_{ch_M}决定，如式(6)所示：

I₁的大小由P₁和U_{stch_2}决定，如式(7)所示：

步骤5)储能元件启动后，储能元件1的电压给定过程由a、b段曲线构成，储能元件2的电压给定过程为b段曲线，分别可表达为式(8)、(9)

U_{char_2}*＝U_{stch_2}+r₂×(I_dc-I₁) (9)。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法，具备以下有益效果：

1、该地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法，基于现有典型城轨地面式混合储能装置控制结构存在的缺点，本专利提出基于并行双环结构的控制方法，可有效减少制动电阻和空气制动的启动，从而减少能量损耗和闸瓦损耗，提高储能装置的节能率。

附图说明

图1为本发明现有技术典型地面式混合储能***控制方法框图；

图2为本发明城市轨道交通的牵引结构及能量流动示意图；

图3为本发明地面式混合储能***独立式控制结构；

图4为本发明独立式控制策略的电压指令值给定示意图；

图5为本发明不同控制策略下网压随时间的变化曲线；

图6为本发明不同控制策略下SC的SOC随时间的变化曲线；

图7为本发明控制方法框图；

图8为本发明储能装置工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法，其特征是按以下步骤进行：

步骤1)采用了HESS的城市轨道交通牵引网能量流动；

电池和超级电容通过双向DC/DC变换器并联在直流母线上，能量流动为列车处于牵引、制动工况时的情况，其中P_sub为变电站输出功率，P_d为储能装置放电功率，P_c为储能装置充电功率，P_t为列车的牵引功率，P_b为列车制动功率，P_cross为列车能量交互功率，P_m为空气制动功率，P_line为线路损耗，相应的能量为对应功率对时间的积分，能量流动情况可以用下式1、2表示：

P_b＝P_c+P_cross+P_line1+P_m (1)

P_t＝P_sub+P_cross+P_d-P_line2 (2)；

步骤2)为了实现对两种储能元件的有效控制，提出了基于并行双环结构的控制方法；

U_stch为储能元件的充电启动电压，U_std为储能元件的放电启动电压，I_dc为储能装置高压侧电流，U_char*为储能元件电压外环充电电压给定值，U_dis**为储能元件电压外环放电电压给定值，k₁、k₂分别为电池和超级电容充电时给定电压的变化斜率，k₃、k₄分别为电池和超级电容放电时给定电压的变化斜率。该控制结构将电池和超级电容的电压外环分开进行独立控制，分别给定其充放电电压的指令值；

步骤3)在这种控制方法中，考虑充电过程的电压外环指令值给定；

I_dc为储能装置高压侧电流，U*为储能元件电压外环电压给定值，U_std为储能元件放电电压给定值，U₀为空载电压，U_{stch_1、2}为储能元件1、2的充电启动电压，为避免储能装置不必要的充放电，充电启动电压需高于空载电压，放电电压指令值需低于空载电压，U_{ch_M}为电压外环指令值的最大值，I₁为储能元件2启动时，储能元件1的充电电流，P₁为此时储能元件1的充电功率，I_{ch_M}为充电电流最大值，r₁为a段曲线的斜率，r₂为b段曲线的斜率，其中

步骤4)当列车制动时，根据牵引网电压和储能元件充电启动电压的比较，决定该储能元件是否投入运行，如式5所示：

若网压抬升至储能元件1的启动电压U_{stch_1}，则储能元件1投入运行，且电压外环指令值根据a段曲线变化，储能装置工作电流越大，电压外环给定值越高，直至网压抬升至储能元件2的启动电压U_{stch_2}，则储能元件2也投入运行。由于两种储能元件并联于同一直流母线，因此二者同时运行时，电压外环指令值均根据b段曲线变化。图中I_{ch_M}由储能装置最大充电功率P_max和电压外环指令值的最大值U_{ch_M}决定，如式6所示：

I₁的大小由P₁和U_{stch_2}决定，如式7所示：

步骤5)储能元件启动后，储能元件1的电压给定过程由a、b段曲线构成，储能元件2的电压给定过程为b段曲线，分别可表达为式8、9

U_{char_2}*＝U_{stch_2}+r₂×(I_dc-I₁) (9)

在使用时：

1、测量得变电站的空载电压U₀，列车制动电阻启动电压U_R，确定U_{stch_1}应高于U₀，U_M应小于U_R。

2、通过电池BMS模块和超级电容信息采集模块，采集电压、电流、SOC、温度、报警信息，经过通信线传至***的DSP控制器，同时通过电压和电流传感器采集储能装置高压侧的电压、电流信息。

3、以电池优先启动为例，U_{stch_1}＝U_{stch_Bat}<U_{stch_SC}＝U_{stch_2}，则DSP控制器中可根据设置的参数，按照式10～12计算得出I₁、r₁、r₂的数值。

4、列车制动时，DSP控制器根据采集到的高压侧电压U_dc、电流I_dc信息，首先将U_dc与设置值U_{stch_Bat}进行比较，判断电池是否投入充电工作；当电池投入工作后，电池电压外环给定值按照式13变化，将直流网压与指令值的差值通过PI调节器得到电池的充放电电流指令值I_c1；同时将U_dc与设置值U_{stch_SC}进行比较，判断超级电容是否投入工作；当超级电容投入工作后，超级电容的电压外环给定值按照式14变化，将直流网压与指令值的差值通过PI调节器得到超级电容的充放电电流指令值I_c2；

U_{char_SC} ^*＝U_{stch_SC}+r₂×(I_dc-I₁) (14)。

综上所述，该地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法，基于现有典型城轨地面式混合储能装置控制结构存在的缺点，本专利提出基于并行双环结构的控制方法，可有效减少制动电阻和空气制动的启动，从而减少能量损耗和闸瓦损耗，提高储能装置的节能率。

并且，本专利基于实际线路数据，对电池400kW/超级电容1600kW的2MW混合储能装置进行仿真验证，仿真结果如下图5和图6所示，图中caseS1和caseS2为以电池优先功率分配为例，采用典型城轨地面式混合储能***控制结构时，在电压外环给定值分别为840V和860V的网压曲线，caseS3为采用本专利所提的方法，电池启动电压840V，超级电容启动电压860V，P1＝400kW的网压曲线，从图中看出，本专利所提方法可减少超级电容充满退出运行情况持续的时间，故而减少了空气制动的启动，减少能量浪费，制动过程中的各部分能量统计如表1和表2所示，其中S0表示未安装HESS时的能量，节能效果e的计算公式如15所示，该指标给出了有HESS时变电站输出能量Esub和无HESS时变电站输出能量EOsub的差值，以及储能装置运行始终的能量差值ΔEess，结果表明，通过采用本专利所提方法，能量损耗减少2.4kWh，节能率提高2.0％。

表1制动过程能量统计

案例	Esub/kWh	ΔEess/kWh	e[％]
				S0	121.80	/	/
S1	109.5	5.74	14.81
				S2	108.4	4.87	15.00
S3	108.6	7.27	16.81

表2节能量比较

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种地面式电池和超级电容混合储能***及其管理方法，其特征是按以下步骤进行：

步骤1)采用了HESS的城市轨道交通牵引网能量流动；

电池和超级电容通过双向DC/DC变换器并联在直流母线上，能量流动为列车处于牵引、制动工况时的情况，其中P_sub为变电站输出功率，P_d为储能装置放电功率，P_c为储能装置充电功率，P_t为列车的牵引功率，P_b为列车制动功率，P_cross为列车能量交互功率，P_m为空气制动功率，P_line为线路损耗，相应的能量为对应功率对时间的积分，能量流动情况可以用下式(1)、(2)表示：

P_b＝P_c+P_cross+P_line1+P_m (1)

P_t＝P_sub+P_cross+P_d-P_line2 (2)；

步骤2)为了实现对两种储能元件的有效控制，提出了基于并行双环结构的控制方法；

U_stch为储能元件的充电启动电压，U_std为储能元件的放电启动电压，I_dc为储能装置高压侧电流，U_char*为储能元件电压外环充电电压给定值，U_dis**为储能元件电压外环放电电压给定值，k₁、k₂分别为电池和超级电容充电时给定电压的变化斜率，k₃、k₄分别为电池和超级电容放电时给定电压的变化斜率。该控制结构将电池和超级电容的电压外环分开进行独立控制，分别给定其充放电电压的指令值；

步骤3)在这种控制方法中，考虑充电过程的电压外环指令值给定；

I_dc为储能装置高压侧电流，U*为储能元件电压外环电压给定值，U_std为储能元件放电电压给定值，U₀为空载电压，U_{stch_1、2}为储能元件1、2的充电启动电压，为避免储能装置不必要的充放电，充电启动电压需高于空载电压，放电电压指令值需低于空载电压，U_{ch_M}为电压外环指令值的最大值，I₁为储能元件2启动时，储能元件1的充电电流，P₁为此时储能元件1的充电功率，I_{ch_M}为充电电流最大值，r₁为a段曲线的斜率，r₂为b段曲线的斜率，其中

步骤4)当列车制动时，根据牵引网电压和储能元件充电启动电压的比较，决定该储能元件是否投入运行，如式(5)所示：

若网压抬升至储能元件1的启动电压U_{stch_1}，则储能元件1投入运行，且电压外环指令值根据a段曲线变化，储能装置工作电流越大，电压外环给定值越高，直至网压抬升至储能元件2的启动电压U_{stch_2}，则储能元件2也投入运行。由于两种储能元件并联于同一直流母线，因此二者同时运行时，电压外环指令值均根据b段曲线变化。图中I_{ch_M}由储能装置最大充电功率P_max和电压外环指令值的最大值U_{ch_M}决定，如式(6)所示：

I₁的大小由P₁和U_{stch_2}决定，如式(7)所示：

步骤5)储能元件启动后，储能元件1的电压给定过程由a、b段曲线构成，储能元件2的电压给定过程为b段曲线，分别可表达为式(8)、(9)

U_{char_2}*＝U_{stch_2}+r₂×(I_dc-I₁) (9)。

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