CN109787364A - 城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法，采用固定功率比例策略、固定功率阈值策略、基于能量交互的固定功率比例策略或基于能量交互的固定功率阈值策略作为系统配置中所使用的能量管理策略；本发明的在线能量管理方法能够实现混合储能系统的在线功率分配验证。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法。
背景技术
随着能源资源的不断紧张，快速发展的轨道交通对电能的需求越来越大，同时顺应节能减排的趋势，将储能技术应用于轨道交通领域成为近年来研究的热点。目前，我国大城市普遍出现中心城区人口过度饱和的状况，城市空间结构普遍由单中心向多中心发展，中心城区与外围新城间交通需求迅猛增长，因此，为人们提供快速、便捷的市郊客运就显得十分重要。城市轨道交通凭借其运能大、速度快、安全可靠、准点舒适、能耗低、用地省和污染少等显著优势，势必成为下一步交通发展的重点方向。
现阶段储能技术在城市轨道交通中的应用主要有辅助电源、动力电源和再生制动回收系统。地铁等车辆中常用蓄电池作为辅助电源或应急电源，有轨电车等车辆中利用储能系统作为动力电源的应用越来越多，而地铁中也常见储能系统应用于平复网压波动的装置中。储能系统的应用又可分为车载混合储能系统和地面储能系统，车载混合储能系统多用于其作为车上的能量来源，地面储能系统多用于回收再生制动能量和平复网压波动。
应用于城市轨道交通中的储能器件主要有电池、超级电容和飞轮储能系统。飞轮储能在国内外有所应用，但由于其设备笨重、灵活性差，现阶段效率较低以及环境要求严格等问题未得到广泛推广，应用较多的仍为电池和超级电容。
电池以其高能量密度、可模组化、可靠性等优点成为目前最常用的储能元件，但是其温度特性差、循环寿命短、功率密度低等缺点限制了电池储能的工作效率。对于轨道交通车辆而言，在列车牵引加速、爬坡、制动工况下，需要储能系统具有高效率和高倍率的充电和放电能力。在轨道交通中采用单一电池储能的方案将导致电池经常工作在大电流和高功率的工况，这将大大减少电池的循环寿命和可靠性。为了匹配轨道交通车辆的功率需求，只能提高电池储能的容量，这将使系统的成本、体积、重量增加。
超级电容具有高功率密度、长循环寿命、温度特性好但是低能量密度的特点，对于高能量的轨道交通动力系统而言也不能满足需求。对于特定的储能元件，其功率特性和能量特性与储能元件本身电压、内阻、容量等指标内在的联系在一起，是由其物理、化学特性决定的。在制造工艺受限情况下，元件性能无法兼顾功率性和能量性，单一的储能元件为解决这一问题，只能提高配比容量，这将导致储能元件成本、体积的增加。
电池与超级电容均有其优点和缺点，根据城市轨道交通的不同需求选择不同的储能器件。电池适用于功率需求不高的持续供电设备中，而超级电容适用于功率需求大但能量需求较少的设备中。对于功率和能量需求均较高的设备，越来越多的研究人员选用电池和超级电容混合使用，使设备同时具有较高的能量密度和功率密度。常用混合储能系统的拓扑结构分别为电池半主动式拓扑、超级电容半主动式拓扑、主动式拓扑。
由于城市轨道交通车辆大功率、高能量的需求及车载混合储能系统重量、体积及其他优化目标的限制，为车载混合储能系统配置容量提出了严格的要求。系统配置优化成为城轨交通车辆储能系统设计的关键一环，本专利根据厂家对储能系统储能形式、单体性能、系统拓扑、EMS等方面的要求，通过系统优化设计出性能优越的储能系统。
现有的系统配置方案为根据储能系统的边界条件，把配置限制在一定范围内，求得在该范围内的目标最优配置。边界条件常设置如下：
Ps(t)≥Preq(t)+Plos(t)
Es+Echar≥Ereq+Elos
Ms≤Mmax
SOCsmin≤SOCs(t)≤SOCsmax
Udmin≤Ud(t)≤Udmax
其中，P代表功率，E代表能量，M代表重量，U代表电压。下角标s代表储能系统，req代表城轨车辆需求值，los代表损失，max代表最大限制值， min代表最小限制值，d代表直流母线。若该储能系统为混合储能系统，则储能系统的功率、能量、重量等均为多种单储能系统的参数相加。
通过上述分析可知，该方案能获得符合条件的车载混合储能系统配置结果，但该配置不是最优配置，作为单电池系统，其寿命问题无法得到优化，从而造成周期成本的提高；对于混合储能系统而言，多种储能系统之间的配合策略更是影响配置结果的重要因素，该方案中均未加以考虑，造成储能系统的配置不合理。同时，由于系统配置多使用枚举法寻优，运算时间长，运算量巨大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法，其能够实现能量管理策略验证。
本发明提供的一种城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法，分别采用固定功率比例策略、固定功率阈值策略、基于能量交互的固定功率比例策略或基于能量交互的固定功率阈值策略作为系统配置中所使用的能量管理策略；
进一步，所述固定功率比例策略中，由两种储能器件所组成的混合储能系统中的储能器件Ⅰ和储能器件Ⅱ在功率需求变化时保持固定的功率比例进行分配，充电和放电功率实时变化，其公式表达如下：
其中，P1为储能器件Ⅰ的输出功率，牵引为正，制动为负，Preq为总功率需求，p1为储能器件Ⅰ的固定功率比例，P2、p2分别为储能器件Ⅱ的输出功率与固定功率比例；
进一步，所述固定功率阈值策略中，在功率需求低的部分由所述储能器件Ⅰ
提供，在功率需求高的峰值部分由所述储能器件Ⅱ提供，两者之间的阈值为固定值，用公式表达为：
Psc(t)＝Preq(t)-Pb(t)；
其中，P1max为储能器件Ⅰ的最大输出功率。
进一步，所述基于能量交互的固定功率比例策略中，在储能器件ⅡSOC过低时，使用电池以配置的最大功率放电，既提供牵引功率，同时在牵引需求较低的情况下以剩余功率为储能器件Ⅱ充电；当储能器件ⅡSOC低于阈值SOClow时启动能量交互状态，储能器件ⅡSOC恢复至阈值SOChigh时退出能量交互状态，继续使用固定功率比例策略运行；能量交互状态公式表达如下：
进一步，所述基于能量交互的固定功率阈值策略中，对于能量管理策略的验证部分，即为在确定的系统配置和确定的策略下，对混合储能系统进行实时仿真，确定每时刻下混合储能系统运行均能满足要求。
本发明的有益效果：本发明采用的在线能量管理方法能够实现几种在线能量管理策略下出混合储能系统的在线功率分配验证。
具体实施方式
本发明的城市轨道交通车载混合储能系统配置中所使用的能量管理策略均为优化的在线能量管理策略，用于模拟城轨列车车载混合储能系统实时功率分配的效果，本发明中所涉及的在线能量管理策略包括固定功率比例策略、固定功率阈值策略、基于能量交互的固定功率比例策略、基于能量交互的固定功率阈值策略四种。下面分别介绍四种策略的大致思路。
一、固定功率比例策略
以电池-储能器件Ⅱ型混合储能系统为例，随着城轨列车运行速度的不同，功率需求实时变化。忽略系统损耗，电池和储能器件Ⅱ在功率需求变化时保持固定的功率比例进行分配，充电和放电功率实时变化。公式表达如下：
二、固定功率阈值策略
混合储能系统中，电池的能量密度高，功率密度低，而储能器件Ⅱ则相反。同时，电池的寿命相对储能器件Ⅱ较短，为了使混合储能系统充分发挥优势，在功率需求低的部分由电池系统提供，在功率需求高的峰值部分由储能器件Ⅱ提供，两者之间的阈值为固定值。用公式表达为：
Psc(t)＝Preq(t)-Pb(t)
三、基于能量交互的固定功率比例策略
该策略基于固定功率比例策略进行了改进，在储能器件ⅡSOC过低时，使用电池以配置的最大功率放电，既提供牵引功率，同时在牵引需求较低的情况下以剩余功率为储能器件Ⅱ充电。当储能器件ⅡOC低于阈值SOClow时启动能量交互状态，储能器件ⅡSOC恢复至阈值SOChigh时退出能量交互状态，继续使用固定功率比例策略运行。能量交互状态公式表达如下：
四、基于能量交互的固定功率阈值策略
该策略基于固定功率阈值策略进行改进，原理同三。
对于能量管理策略的验证部分，即为在确定的系统配置和确定的策略下，对混合储能系统进行实时仿真，确定每时刻下混合储能系统运行均能满足要求，其原理与系统配置的子程序相同。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法，其特征在于：分别采用固定功率比例策略、固定功率阈值策略、基于能量交互的固定功率比例策略或基于能量交互的固定功率阈值策略作为系统配置中所使用的能量管理策略。
2.根据权利要求1所述城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法，其特征在于：所述固定功率比例策略中，由两种储能器件所组成的混合储能系统中的储能器件Ⅰ和储能器件Ⅱ在功率需求变化时保持固定的功率比例进行分配，充电和放电功率实时变化，其公式表达如下：
其中，P1为储能器件1的输出功率，牵引为正，制动为负，Preq为总功率需求，p1为储能器件1的固定功率比例，P2、p2分别为储能器件2的输出功率与固定功率比例。
3.根据权利要求2所述城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法，其特征在于：所述固定功率阈值策略中，在功率需求低的部分由所述储能器件Ⅰ提供，在功率需求高的峰值部分由所述储能器件Ⅱ提供，两者之间的阈值为固定值，用公式表达为：
其中，P1max为储能器件1的最大输出功率。
4.根据权利要求2所述城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法，其特征在于：所述基于能量交互的固定功率比例策略中，在储能器件Ⅱ的SOC过低时，使用电池以配置的最大功率放电，既提供牵引功率，同时在牵引需求较低的情况下以剩余功率为储能器件Ⅱ充电；当储能器件Ⅱ的SOC低于阈值SOClow时启动能量交互状态，储能器件Ⅱ的SOC恢复至阈值SOChigh时退出能量交互状态，继续使用固定功率比例策略运行；能量交互状态公式表达如下：
5.根据权利要求2所述城市轨道交通车载混合储能系统在线能量管理方法，其特征在于：所述基于能量交互的固定功率阈值策略中，对于能量管理策略的验证部分，即为在确定的系统配置和确定的策略下，对混合储能系统进行实时仿真，确定每时刻下混合储能系统运行均能满足要求。
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