[发明专利]城轨混合储能系统的功率动态分配控制方法

说明书

本发明针对城市轨道交通牵引制动能量瞬时大功率、短时大能量等引起的牵引网电压安全问题，结合超级电容与电池在性能上具有很强的互补性特点，采用超级电容‑电池并联组成双DC/DC变换器架构的混合储能系统进行牵引制动能量回收利用。并在传统双闭环PI控制基础上提出一种基于列车牵引功率前馈的双闭环控制策略，结合模糊推理系统和低通滤波法协调控制储能元件的功率分配，通过控制功率分配比例实现混合储能系统的最优能量管理。本发明不仅可以有效抑制牵引网电压波动，提高能量利用率，并且通过实时监测储能装置的荷电状态SOC来优化储能系统功率，防止储能元件过充、过放现象的发生，同时提高了混合储能系统整体性能和性价比。

技术领域

本发明涉及的是一种城轨交通储能、节能技术领域，具体的说就是一种城轨混合储能系统的功率动态分配控制方法。

背景技术

城市轨道交通以其运载量大、准点快捷、环境污染少等优点，目前在很多城市得到了大力推广。城市轨道交通线路能耗巨大且具有较高的运行电压要求，通过在直流牵引网采用储能的方式回收多余的制动能量，是实现城轨交通节能以及保证牵引网电压安全的有效手段。当列车制动时，牵引电机作为发电机向牵引网输送能量，储能系统吸收制动能量；当列车启动加速时，储能系统释放能量至牵引网，为牵引电机提供所需能量。

按照储能形式的不同，目前轨道交通储能系统一般采用单一超级电容或者电池作为其存储介质。然而，城轨列车制动过程可回馈高达3MW/15kW·h的能量，单一器件的储能系统难以满足大功率、大能量的双重需求，为抑制牵引网电压的急剧上升，常采用混合储能形式来满足大功率，大能量的双重需求。混合储能中常采用超级电容和电池作为能源辅助系统和存储系统，其功能主要是对牵引网功率实现“削峰填谷”的作用。混合储能系统的输出侧并联双向DC/DC变换器，根据负载功率需求调整各储能元件输出功率，各储能元件之间的能量分配取决于其控制策略，因此如何提高牵引制动能量利用率是控制系统领域技术人员目前需要考虑解决的技术问题。

发明内容

技术问题：在混合储能系统中，超级电容和电池的能量分配取决于其控制策略，如何通过控制实现超级电容和电池的特性互补，从而匹配牵引下系统功率需求和能量需求，达到最优能耗是目前需要考虑解决的技术问题。

技术方案：针对上述问题，本发明采用超级电容-电池并联的方式构成车载混合储能系统，在传统双闭环PI控制基础上提出一种基于列车牵引功率前馈的双闭环控制策略。结合模糊推理系统和低通滤波法控制功率分配，将列车所需功率合理地分配到超级电容，电池和电网中，发挥超级电容高功率密度快速充放电、电池的高能量密度优势，避免对牵引网电压及电池组正常运行造成冲击，并通过控制功率分配比例实现混合储能系统的优化能量管理。混合储能系统功率分配的总体原则为：优先使用超级电容，发挥其快速充放电特性，并减少电池组充放电次数且避免大倍率工作。因此，超级电容组主要负责释放/吸收列车启动/制动能量中功率波动大或者变化较快的部分，而电池组负责变化较慢的功率部分。

本发明提出的城轨混合储能系统的功率动态分配控制方法，其特征在于该功率分配方法采用基于列车牵引功率前馈的双闭环控制策略，结合模糊推理系统和低通滤波法。通过引入列车牵引运行所需功率因子，然后运用模糊推理系统确定滤波时间常数，低通滤波器根据超级电容与电池的荷电状态变化，动态协调混合储能功率分配，从而实现混合储能系统的优化能量管理。本发明分两个阶段，实现如下：

阶段1：设计基于牵引功率前馈的混合储能系统双闭环控制策略，通过设计模糊推理系统输出的滤波时间常数τ，使低通滤波器将城轨列车牵引所需功率因子P_need分解为低频负荷P_bat和高频负荷P_sc。低频负荷功率主要由电池和电网提供，高频负荷功率由超级电容提供。低频负荷P_bat和高频负荷P_sc通过闭环PI控制双向DC/DC变换器，从而实现混合储能系统的能量优化。