CN109980669B - 基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法 - Google Patents

基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对超级电容储能系统的城轨列车牵引网电压稳定性问题，提出一种基于动态设定和协调控制的城轨超级电容储能系统控制方法。本发明提出基于动态设定和协调控制的城轨超级电容储能系统能量管理策略，采用四输入‑四输出模式，将设定充放电电压阈值Urefx、超级电容荷电状态(SOCx)、控制参数和城轨列车与储能装置的距离Lx作为输入，将电压动态充放电阈值作为输出。根据数学模型，根据输入动态变化，计算输出电压阈值，储能站点根据动态阈值和系统状态调节储能系统的能量吸收和释放，稳定牵引网电压。本发明动态设定和协调控制的方法具有动态性能好，鲁棒性高等优点。

Description

基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种城轨超级电容储能系统能量控制方法，具体的说就是一种基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法。
背景技术
城市牵引车辆具有占地面积少、少污染、载客量大、速度快、等特点，对于缓解特别是大中城市交通压力和规划建设高效节能绿色环保交通，意义重大，符合人类可持续发展原则。城轨列车运行区间距离短，启动、制动频繁，牵引加速阶段需要较大的启动功率，其制动时会产生大量的再生制动能量，如何抑制牵引网压较大波动和有效回收制动能量，改善列车牵引和制动特性、降低牵引变电站输出能耗和提高电能利用率，是目前轨道交通领域的研究热点问题。
近年来，具有功率密度高、充放电速度快、循环使用寿命长等一系列优点的超级电容储能系统在可再生能源发电系统、混合动力车辆、牵引车辆制动能量回收利用等领域日益受到关注并逐渐开发应用，其优质的性能特点非常契合城轨列车运行特性。通过合理控制储能系统充放电，实现能量在供电网络和储能装置间的双回流动，在出现多列车同时启动加速或减速制动时，能减小牵引变电站输出功率峰值和防止再生制动失效、稳定直流牵引网电压。
根据最优控制理论，传统的储能系统充放电控制策略多采用实现全状态变量反馈的电压、电流双闭环控制结构，控制系统较简单直接，虽然具有很好的牵引网稳压和节能效果，但未考虑协调多套储能系统间的能量流动，以及考虑各储能系统的最大化利用程度等问题。设定的恒定充放电阈值也没有结合列车的动态运行特性，储能效果和功能作用必然不是最优，而储能系统的充放电阈值设定及其优化控制对系统本身的节能效果和使用寿命是有极大影响。本文在传统控制策略的基础上，研究了一种通过跟踪列车实时运行距离的变化，动态设定充放电阈值和协调管理双边储能系统能量流动的新型改进型控制策略。
发明内容
技术问题：在牵引车辆运行过程中，超级电容是其储能元件。但在稳定牵引网电压中，超级电容储能系统起到调节牵引网网压作用，对于超级电容储能系统吸收和释放能量过程中，超级电容的充放电电压阈值一般固定设定，使其不能根据运行状态自行调整，这种超级电容储能系统调节牵引网稳定具有局限性，不能很好保护超级电容和充分发挥超级电容的能力。
技术方案：为了解决上述问题，可以利用数学模型，应用到超级电容充放电电压阈值的计算中，使其更好动态设定和协调优化城轨超级电容储能系统，更好管理双边储能系统能量流动。对于牵引车辆储能系统而言，其充电阈值(Uchar-x)、放电阈值(Udis-x)与列车初始设置电压阈值(Urefx)、控制参数(Kx)、运行距离(Lx)和超级电容荷电状态(SOCx)有关。对于超级电容储能系统的电压阈值设定，利用数学模型，四个输入四输出模式，设某一供电区间内两个储能系统A站和B站(假设A储能系统、B储能系统之间距离为D)，对于A站参数，所有参数的x取为A(下同),对于B站参数，所有参数的x取为B(下同),在此区间进行—加速、惰行、制动，根据超级电容SOCx、运行距离、控制参数和初始充放电电压阈值，利用数学模型，进行电压阈值的动态控制，使其更好实时根据运行状态，调整电压阈值。牵引车辆在相邻变电站直接运行时，不同变电站根据超级电容本身的充放电电压阈值和SOCx状态，进行能量的吸收和释放，协调配合，保证各个变电站能够在正常运行时，合理安排能量释放和吸收，发生故障时，分配能量，使牵引车辆能够稳定运行，牵引网电压能够稳定。
本发明是根据动态设定和协调优化的储能系统能量管理策略，基于直流牵引网压波动变化直接反应列车运行状态，通过设定充放电电压阈值，和实时检测牵引网电压变化决定超级电容储能系统工作模式。
本发明提出的基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法，由上述可知，牵引车辆在供电区段内与储能装置的距离(Lx)，A超级电容储能系统的荷电状态(SOCA)、B超级电容储能系统的荷电状态(SOCB)、Kx、Ux作为输入，Uchar-A(A储能系统充电阈值)、Uchar-B(B储能系统充电阈值)、Udis-A(A储能系统放电阈值)、Udis-B(B储能系统放电阈值)作为输出。
本发明提出的数学模型算法，主要包括充放电电压阈值函数、SOCx限流模块函数和运行距离与时间函数。
1.充放电电压阈值函数：
Figure BDA0002024218730000041
充电电压阈值(Uchar-x)，对于A站参数，所有参数的x取为A(下同),对于B站参数，所有参数的x取为B(下同)，A站初始充电电压值(UrefA)，B站初始充电电压值(UrefB)；充电状态牵引变电站A控制参数(K1A、K10A)；充电状态牵引变电站B控制参数(K1B、K10B)；运行距离(Lx)；电容(Cx)、超级电容剩余容量下的电压值(USC-x)、A系统超级电容剩余容量下的电压值(USC-A),B超级电容剩余容量下的电压值(USC-B)；超级电容最大电压值(USC-max-x)、A系统超级电容最大电压值(USC-max-A),B系统超级电容最大电压值(USC-max-B)；超级电容荷电状态SOCx,A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB；
对于A系统x为A,超级电容储能系统的充电阈值Uchar-A，L是轨道交通到储能系统A的距离(LA)，电容为CA，牵引变电站A控制参数(K1A、K10A)，利用此时A储能系统的SOCA值，带入(1)，得出A超级电容储能系统的充电电压阈值。
对于B系统x为B,超级电容储能系统的充电阈值Uchar-B，L是轨道交通到储能系统B的距离(LB)，电容为CB，牵引变电站B控制参数(K1B、K10B)，利用此时B储能系统的SOCB值，带入(1)，得出B超级电容储能系统的充电电压阈值。
Figure BDA0002024218730000051
放电电压阈值(Udis-x)、A站初始放电电压值(UrefA)、B站初始放电电压值(UrefB)，放电状态牵引变电站A控制参数(K2A、K20A)、放电状态下牵引变电站B控制参数(K2B、K20B)；运行距离(LX)、电容(CX)、超级电容剩余容量下的电压值(USC-x)、A超级电容剩余容量下的电压值(USC-A),B超级电容剩余容量下的电压值(USC-B)；超级电容最大电压值(USC-max)、A系统超级电容最大电压值(USC-max-A),B系统超级电容最大电压值(USC-max-B)；超级电容荷电状态SOCx,A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB；
对于A系统x为A,对于A超级电容储能系统的放电阈值Udis-A，L是轨道交通到储能系统A的距离(LA)，电容为CA，牵引变电站A控制参数(K2A、K20A)，利用此时A储能系统的SOCA值，带入(2)，得出A超级电容储能系统的放电电压阈值。
对于B系统x为B,对于B超级电容储能系统的放电阈值Udis-B，L是轨道交通到储能系统B的距离(LB)，电容为CB,牵引变电站B控制参数(K2B、K20B)，利用此时B储能系统的SOCB值，带入(2)，得出B超级电容储能系统的放电电压阈值。
2.SOCX限流模块函数
在充电状态下，超级电容器组的SOCx值达到上限值后，逐渐减小电流充电，避免电容器组在接近满荷时，以迅速切除大电流的方式退出运行，对储能系统造成很大的冲击损耗，引起牵引网供电系统“阶跃”震荡变化。
表达式3表示超级电容储能系统充电状态下SOCx(A超级电容荷电状态为SOCA、B超级电容荷电状态为SOCB)值与限流环节kc-char(充电状态时限制系数)的函数关系。
Figure BDA0002024218730000061
超级电容器组工作在放电模式下，避免电容器组放电至一定深度后迅速切除大电流。超级电容储能系统正常工作于充、放电模式下，通过检测系统的SOCx值控制电容器组的充、放电电流，防止储能系统出现过冲、过放现象，保护储能系统在稳定状态下工作和延长其使用寿命。
表达式4表示超级电容储能系统放电状态下SOCx(A超级电容荷电状态为SOCA、B超级电容荷电状态为SOCB)值与限流环节kc-dis(放电状态时限制系数)的函数关系。
Figure BDA0002024218730000062
3.运行距离与时间函数
在实际运行时，牵引车辆运行过程时，经历加速、惰性、制动环节，选取列车在一个供电区段内的实时运行距离L，并且分别采集在这段距离内，牵引列车在加速、惰性、制动阶段时运行的时间，得出距离和时间t的函数关系。
基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制步骤如下(按设定时间间隔T执行)：
Step1：实时采集各相关运行数据L、SOCA、SOCB作为数学模型系统输入。
Step2：运行数学模型得到相应的设定值Uchar-A、Uchar-B、Udis-A、Udis-B
Step3：根据动态设定值进行协调控制
有益效果：本发明的数学模型方法不仅结合了传统的电压电流的双闭环控制系统，同时对阈值的设定能根据数学模型进行实时更改，具有鲁棒性强特点，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。
附图说明
图1基于动态设定和协调优化的储能系统能量管理策略控制原理框图。
系统控制策略由牵引网电压环，模式切换模块和充放电电流环等控制环组成，控制系统采用电压外环和电流内环双闭环串级结构的控制策略。
(1)牵引网电压外环，牵引网电压环检测牵引网实时电压Udc(电压设定值和实时电压反馈值的差额)作为反馈，Udc与充放电电压阈值Uchar，Udis比较差值经PI(比例调节和积分调节)控制器调节输出储能系统充放电电流指令值I* L(电流参数值)
(2)储能系统充放电电流内环，牵引网电压环输出的充放电电流指令值I* L与反馈充放电电流IL(实时检测到电流值)比较差值经过PI控制器调节输出控制双向DC/DC(直流转直流电源)变换器开关管驱动脉冲信号。
图2储能系统工作模式切换原理图
通过数学模型可得到实际电压阀值。在城轨牵引，惰性，制动时，此时储能系统为了维持牵引网电压平衡，会向电网释放能量，吸收能量。为了防止储能系统电压过高造成器件损坏，以及城轨系统正常停运断电情况下储能系统仍能放电引起误动作，故储能系统设置禁止模式状态。
列车牵引加速工况，牵引网电压Udc跌落至阀值Udis下限时，储能系统启动并工作至Boost(一种常见的开关直流升压电路)升压斩波电路放电模式；列车制动减速工况时，牵引网电压Udc被抬升至阀值Uchar上限时，储能系统启动并工作于Buck(直流到直流的降压变换)降压斩波电路充电模式；列车惰行工况，牵引网电压Udc波动很小，在Uchar和Udis范围内，储能系统待机模式。
具体实施方式：
本发明提出的是基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法，结合控制系统结构图其具体实施方案详述如下。
1.牵引网电压外环将检测的牵引网实际电压和给定充放电电压阈值比较差值经外环PI调节得到储能系统参数充放电电流I* L；I* L与储能系统实际反馈的充放电电流IL比较差值经电流内环PI调节，通过PWM(脉冲宽度调制)控制得到驱动BDC(双向DC-DC变换器是实现直流电能双向流动的装置)变换器开关器件的占空比。
2.在牵引区间进行，加速，惰行，制动。每一个过程，城轨的给定的充放电阈值与运行的距离，以及超级电容容量所处的状态相关，根据数学模型算法得出相应的充放电阈值，从而协调两个储能系统系统控制，使能量双回流动，维护牵引网电压稳定。
1)充放电电压阈值函数：
Figure BDA0002024218730000091
A系统初始充电电压值(UrefA＝1600V)、B系统初始充电电压值(UrefB＝1600V)，充电状态牵引变电站A控制参数(K1A、K10A)；充电状态牵引变电站B控制参数(K1B、K10B)；运行距离(Lx)；电容(Cx)、超级电容剩余容量下的电压值(USC-x)、A系统超级电容剩余容量下的电压值(USC-A),B系统超级电容剩余容量下的电压值(USC-B)；超级电容最大电压值(USC-max-x)、A系统超级电容最大电压值(USC-max-A),B系统超级电容最大电压(USC-max-B)；超级电容荷电状态SOCx,A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB；
对于A系统x为A，对于A超级电容储能系统的充电阈值Uchar-A，L是轨道交通到储能系统A的距离(LA)，电容为CA，对于A储能系统充电状态时，K1A＝-2、K10A＝-1000利用此时A储能系统的SOCA值，带入(5)，得出A超级电容储能系统的充电电压阈值；
对于B系统x为B，对于B超级电容储能系统的充电阈值Uchar-B，L是轨道交通到储能系统B的距离(LA)，电容为CB，对于B储能系统充电状态时，K1A＝-10、K10A＝2000利用此时B储能系统的SOCB值，带入(5)，得出B超级电容储能系统的充电电压阈值。
Figure BDA0002024218730000101
A系统初始放电电压值(UrefA＝1300V)、B系统初始放电电压值(UrefB＝1300V)，放电状态牵引变电站A控制参数(K2A、K20A)、放电状态下牵引变电站B控制参数(K2B、K20B)；运行距离(LX)、电容(CX)、超级电容剩余容量下的电压值(USC-x)、A系统超级电容剩余容量下的电压值(USC-A),B系统超级电容剩余容量下的电压值(USC-B)；超级电容最大电压值(USC-max)、A系统超级电容最大电压值(USC-max-A),B系统超级电容最大电压(USC-max-B)；超级电容荷电状态SOCx,A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB；
对于A系统x为A,对于A超级电容储能系统的放电阈值Udis-A，L是轨道交通到储能系统A的距离(LA)，电容为CA，对于A储能系统放电状态时，K2A＝-2、K20A＝-1000，利用此时A储能系统的SOCA值，带入(6)，得出A超级电容储能系统的放电电压阈值。
对于B系统x为B,对于B超级电容储能系统的放电阈值Udis-B，L是轨道交通到储能系统B的距离(LB)，电容为CB，对于B储能系统放电状态时，K2B＝0.5、K20B＝2000，利用此时B储能系统的SOCB值，带入(6)，得出B超级电容储能系统的放电电压阈值。
2)SOCX限流模块函数
在充电状态下，超级电容器组的SOC值达到上限值后以逐渐减小电流充电，避免电容器组在接近满荷时以迅速切除大电流的方式退出运行，对储能系统造成很大的冲击损耗，引起牵引网供电系统“阶跃”震荡变化。
表达式7表示超级电容储能系统充电状态下SOCx(A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB)值与限流环节kc-char(充电状态时限制系数)的函数关系
Figure BDA0002024218730000111
超级电容器组工作在放电模式下，避免电容器组放电至一定深度后迅速切除大电流。超级电容储能系统正常工作于充、放电模式下，通过检测系统的SOCx值控制电容器组的充、放电电流，防止储能系统出现过冲、过放现象，保护储能系统在稳定状态下工作和延长其使用寿命。
表达式8表述超级电容储能系统放电状态下SOCx(A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB)值与限流环节kc-dis(放电状态时限制系数)的函数关系。
Figure BDA0002024218730000121
3)运行距离与时间函数
在实际运行时，牵引车辆运行过程时，经历加速、惰性、制动环节，选取列车在一个供电区段内的实时运行距离L，并且分别采集在这段距离内，牵引列车在加速、惰性、制动阶段时运行的时间，得出距离和时间t的函数关系。
实施步骤：
根据超级电容SOCA、SOCB和牵引车辆在供电区段内与储能装置B距离L，通过数学模型(1)、(2)、(3)、(4)输出电压阈值。
Step1：实时采集各相关运行数据L、SOCA、SOCB作为数学模型系统输入。
Step2：运行数学模型得到相应的设定值Uchar-A、Uchar-B、Udis-A、Udis-B
Step3：根据动态设定值进行协调控制
牵引车辆的超级电容储能系统采用电压电流双闭环控制系统，电流采用PI控制器并且还有SOCx限流模块，在超级电容储能系统正常工作于充放电模式下，通过检测系统的SOCx值控制电容器组的充放电电流，防止储能系统出现过冲。
上述具体实现只是本发明的较佳实现而已，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其本质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作为各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法，其特征在于每个区间有两个超级电容储能装置A站和B站，对于A站参数，所有参数的x取为A，以下同,对于B站参数，所有参数的x取为B，以下同,两个装置相互协调，利用数学模型，使牵引车辆能根据供电区段内与储能装置距离Lx、超级电容荷电状态SOCx，实时运行状态自行改变电压阈值，数学模型算法由三部分组成：充放电电压阈值函数、SOCx限流模块函数和运行距离与时间函数；选取牵引车辆在供电区段内与储能装置距离Lx、超级电容荷电状态SOCx、控制参数、恒定充放电电压阈值作为输入，A储能系统充电阈值Uchar-A)、B储能系统充电阈值Uchar-B、A储能系统放电阈值Udis-A、B储能系统放电阈值Udis-B作为输出；
充放电电压阈值函数、SOCx限流模块函数和运行距离与时间函数，其设定步骤如下：
1)充放电电压阈值函数：
Figure FDA0004210779060000011
A站初始充电电压值UrefA＝1600V、B站初始充电电压值UrefB＝1600V、充电状态牵引变电站A控制参数K1A、K10A，充电状态牵引变电站B控制参数K1B、K10B；运行距离Lx；电容Cx、超级电容剩余容量下的电压值USC-x、A系统超级电容剩余容量下的电压值USC-A,B系统超级电容剩余容量下的电压值USC-B；超级电容最大电压值USC-max-x、A系统超级电容最大电压值USC-max-A,B系统超级电容最大电压USC-max-B；超级电容荷电状态SOCx,A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB；
对于A系统x为A，对于A超级电容储能系统的充电阈值Uchar-A，LA是轨道交通到储能系统A的距离(LA)，电容为CA，对于A储能系统充电状态时，K1A＝-2、K10A＝-1000利用此时A储能系统的SOCA值，带入(1)，得出A超级电容储能系统的充电电压阈值；
对于B系统x为B，对于B超级电容储能系统的充电阈值Uchar-B，L是轨道交通到储能系统B的距离LB，电容为CB，对于B储能系统充电状态时，K1A＝-10、K10A＝2000利用此时B储能系统的SOCB值，带入(1)，得出B超级电容储能系统的充电电压阈值；
Figure FDA0004210779060000021
A站初始放电电压值UrefA＝1300V、B站初始放电电压值UrefB＝1300V、放电状态牵引变电站A控制参数K2A、K20A、放电状态下牵引变电站B控制参数K2B、K20B；运行距离LX、电容CX、超级电容剩余容量下的电压值USC-x、A系统超级电容剩余容量下的电压值USC-A,B系统超级电容剩余容量下的电压值USC-B；超级电容最大电压值USC-max、A系统超级电容最大电压值USC-max-A,B系统超级电容最大电压USC-max-B；超级电容荷电状态SOCx,A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB；
对于A系统x为A,对于A超级电容储能系统的放电阈值Udis-A，L是轨道交通到储能系统A的距离LA，电容为CA，对于A储能系统放电状态时，K2A＝-2、K20A＝-1000，利用此时A储能系统的SOCA值，带入(2)，得出A超级电容储能系统的放电电压阈值；
对于B系统x为B,对于B超级电容储能系统的放电阈值Udis-B，L是轨道交通到储能系统B的距离LB，电容为CB，对于B储能系统放电状态时，K2B＝0.5、K20B＝2000，利用此时B储能系统的SOCB值，带入(2)，得出B超级电容储能系统的放电电压阈值；
2)SOCX限流模块函数
在充电状态下，超级电容器组的SOC值达到上限值后以逐渐减小电流充电，避免电容器组在接近满荷时以迅速切除大电流的方式退出运行，对储能系统造成很大的冲击损耗，引起牵引网供电系统“阶跃”震荡变化；
表达式3表示超级电容储能系统充电状态下SOCx，其中A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB值与限流环节充电状态时限制系数kc-char的函数关系；
Figure FDA0004210779060000031
超级电容器组工作在放电模式下，避免电容器组放电至一定深度后迅速切除大电流，超级电容储能系统正常工作于充、放电模式下，通过检测系统的SOCx值控制电容器组的充、放电电流，防止储能系统出现过冲、过放现象，保护储能系统在稳定状态下工作和延长其使用寿命；
表达式4表述超级电容储能系统放电状态下SOCx，其中A系统超级电容荷电状态为SOCA、B系统超级电容荷电状态为SOCB，值与限流环节放电状态时限制系数kc-dis的函数关系；
Figure FDA0004210779060000041
3).运行距离与时间函数
在实际运行时，牵引车辆运行过程时，经历加速、惰性、制动环节，选取列车在一个供电区段内的实时运行距离L，并且分别采集在这段距离内，牵引列车在加速、惰性、制动阶段时运行的时间，得出距离和时间t的函数关系；
基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制步骤如下，按设定时间间隔T执行：
Step1：实时采集各相关运行数据L、SOCA、SOCB、控制参数作为数学模型系统输入
Step2：运行数学模型得到相应的设定值Uchar-A、Uchar-B、Udis-A、Udis-B
Step3：根据动态设定值进行协调控制
牵引车辆在供电区间段内与储能装置距离Lx、超级电容SOCx、控制参数、恒定充放电电压作为输入，通过数学模型，得到电压阈值，两个储能系统能量流动跟列车实时运行距离和各储能系统SOCx状态变化有关，并且根据城轨超级电容储能系统中采取的电压电流双闭环控制系统进行，电流采用PI控制器，电流给定经过SOCx限流模块，使电压电流在一定的限度内进行动态调整和协调配合，各储能系统能量根据电压值充分释放和吸收能量，稳定牵引网电压稳定，各储能系统利用程度趋向于均衡、合理，避免超级电容过度充放电，保护储能设备。
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