[发明专利]基于能量转移的城轨交通电池储能系统放电阈值动态调整控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及城市轨道交通储能技术，具体是一种基于能量转移的城轨交通电池储能系统放电阈值动态调整控制方法。

背景技术

城轨交通是公共交通体系中的重要组成部分，是解决城市交通拥堵的重要手段，城轨交通的运行特点是站间距短、运行过程中启动和制动频繁。列车制动时，电机工作在发电状态，产生的电能返回电网，称为再生制动；若再生制动能量不能被临近牵引列车有效吸收，就会导致牵引网能量囤积、网压抬升，进而导致再生失效。与此同时，随着人口的增加，城市轨道交通高峰时段的发车时间间隔也在相应减小，若同一区段内牵引车辆较多，则将导致牵引网电压跌落，影响车辆牵引性能。

利用储能系统回收剩余再生制动能量，稳定网压已成为当前的研究热点。近几年来，锂离子电池技术发展迅速，其容量等级和功率等级均可以满足轨道交通再生制动能量吸收释放的要求，在国际上逐步得到推广应用。

图1所示为列车处于牵引、制动工况时直流线网的能量流动情况，当列车制动时，列车的再生能量一部分供给邻近列车牵引利用，剩余的再生能量被电池吸收；当列车牵引时，电池释放能量供给列车牵引利用，其余能量由邻车及牵引变电所提供。

电池储能系统由双向DC/DC变换器(Buck/Boost变换器)和电池组组成，如图2所示。双向DC/DC变换器承担着系统电压等级变换及能量管理的功能。图3为储能系统闭环控制环节，常采用电压电流双闭环，直流母线电压为外控制环，电池电流为内环，内外环都采用PI调节器控制。其中U_char为充电阈值，U_dis为放电阈值，U_dc为母线电压，P_char为电池充电功率需求，P_dis为电池放电功率需求，P_ref为电池充放电功率需求，P_battmax为电池充放电功率限制值，P_battref为电池充放电功率指令值，U_batt为电池电压，I_battref为电池电流指令值，I_batt为电池电流，d为控制输出。电池储能系统充放电状态与母线电压的关系如图中所示，当U_dc≥U_char时，DC/DC变换器工作于Buck模式，系统进入充电状态，回收剩余再生制动能量；当U_dc≤U_dis时，DC/DC变换器工作于Boost模式，系统进入放电状态，为列车提供能量，抑制网压跌落；当U_dis≤U_dc≤U_char时，系统处于待机状态，既不充电也不放电。为了协调变电所与储能系统的充放电，U_dis<U_d0,U_char>U_d0。

图4为SOC限制模块工作原理，其中SOC_min、SOC_max为电池储能系统正常运行的边界约束条件。当SOC_min≤SOC≤SOC_max之间时，电池可正常充放电；当SOC<SOC_min时，电池储能系统可正常充电，禁止放电，防止过放；当SOC>SOC_max时，电池储能系统可正常放电，禁止充电，防止过充。

城轨交通的客流属于动态流，列车发车间隔T_d根据实际客流量进行设定，最小的发车间隔可达2min，最长发车间隔可达到10min，城轨交通运行具有明显的早晚高峰特征。在不同的发车间隔T_d下，线路上同时运行的列车数量是不同的，线路上同时运行的列车数量如式(1)所示，其中T为列车从起始站到终点站的运行时间，floor表示向下取整，ceil表示向上取整，列车间的距离及列车功率需求与线路数据有关。对于某一具体的线路，在不同发车间隔下，当线路上分布满列车后，单个发车间隔的运行时间内列车的牵引能量以及制动能量是相同的，与发车间隔无关。但随着发车间隔的变化，负载是动态变化的：在低峰期(发车间隔较小)，线路上同时运行的列车数量较少，功率需求较少，变电所的输出功率较小，制动能量在列车间的交互较少，剩余再生制动能量较多；而在高峰期(发车间隔较大)，线路上同时运行的列车数量较多，功率需求较大，变电所输出的功率较大，而制动能量在列车间的交互较多，剩余再生制动能量较少。