CN110224387A - 一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略 - Google Patents

一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略，城轨超级电容储能装置与一般的储能系统的区别是需要同时顾及列车运行状态以及超级电容自身的状态和特性，在充分利用超级电容的同时尽可能的满足列车运行期间的供电和储能需求。城轨储能装置的充放电控制主要分为三个方面：在列车制动，装置充电过程中控制超级电容的充电功率和能量；在列车启动，装置放电过程中控制超级电容的放电功率和能量；控制超级电容的SOC。

Description

一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略
技术领域
本发明属于城市轨道交通供电技术领域，具体涉及一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略。
背景技术
随着国家经济的飞速发展，低碳环保、绿色能源是发展趋势。目前，城市轨道交通发展迅速，超级电容储能装置以超级电容储能的方式将城轨机车刹车制动时产生的多余能量储存至超级电容内，而在机车发车需要牵引时再次释放出来，具有低碳节能、绿色环保、稳定可靠、投资低的突出优势，是未来城市轨道交通再生制动能量吸收的发展方向之一。
城轨超级电容储能装置有别于一般储能系统，需要同时顾及列车运行状态以及超级电容自身的状态和特性，需要综合考虑接触网的电压和超级电容自身的SOC状态，在超级电容容量允许的情况下尽可能的满足城轨运行需求。具体而言主要可以分为三个部分：在列车制动以及装置充电过程中控制超级电容的充电功率和能量；在列车启动，装置放电过程中控制超级电容的放电功率和能量；控制超级电容的SOC。
基于此目的，根据接触网电压控制储能装置的充放电策略被广泛应用，其思路是分别在接触网空载电压上下设定接触网高压阈值和接触网低压阈值，当接触网电压下降到接触网低压阈值以下时装置投入牵引，反之当接触网电压上升到接触网高压阈值以上时装置投入回馈。但是由于引入两个电压控制量，控制环的控制速度难免受到影响，同时如何兼顾超级电容自身的SOC状态也是一个必须要考虑的问题。在这样的背景下，提出了本发明所述的充放电控制方法。
发明内容
本发明的目的是针对城轨列车运行中同时兼顾超级电容的状态和接触网的电压状态而提出的超级电容储能装置充放电控制策略，在尽可能满足列车运行过程中对能量存储和释放需求和响应速度的同时，兼顾超级电容自身的状态，最大限度的利用超级电容。
为达到上述目的，本发明所述一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略，当超级电容电压Uc处于超级电容的最低放电阈值Uc_min及以下时：斩波柜控制直流接触网以恒流给超级电容充电至超级电容最低放电阈值Uc_min加100V；
当超级电容电压Uc处于超级电容的最低放电阈值以上时，按照以下策略进行充放电控制：
当直流接触网电压Udc_fdb低于直流接触网低压阈值Udc_trca、且超级电容电压Uc处于超级电容的最低放电阈值Uc_min以上时，斩波柜控制超级电容放电，将直流接触网的电压稳定在直流接触网低压阈值Udc_trca；
当直流接触网电压Udc_fdb大于等于直流接触网低压阈值且小于等于直流接触网高压阈值Udc_feed时，斩波柜待机，超级电容既不放电，也不充电；
当直流接触网电压Udc_fdb高于直流接触网高压阈值Udc_fdb，且超级电容电压处于最高充电阈值Uc_max以下时，斩波柜控制超级电容充电，将直流接触网的电压稳定在直流接触网高压阈值Udc_feed；
当直流接触网电压Udc_fdb大于直流接触网高压阈值Udc_feed且超级电容电压处于最高充电阈值Uc_max及以上时，不再对超级电容进行充电，斩波柜待机。
进一步的，当对超级电容进行充电操作时，直流接触网以恒流的方式给超级电容充电。
进一步的，当对超级电容进行充电操作时，斩波柜控制直流接触网以100A～130A恒流给超级电容充电。
进一步的，超级电容的充电阈值为工作电压±3％。
进一步的，直流接触网低压阈值为其额定工作电压-3％。
进一步的，直流接触网高压阈值为其额定工作电压+3％。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：采用双电压环同时计算，保证电流的响应速度，避免充放电时，不同控制环切换产生的冲击。极限放电的情况下采用滞环控制，避免超级电容在电量不足的情况下频繁充放电切换。极限放电情况为超级电容处于自身端电压较低，电量不足状态；滞环控制是指当超级电容端电压低于Uc_min时，会进入Mode3给超级电容充电，而退出Mode3的条件为当超级电容的端电压大于Uc_min+100V。
与传统的控制系统相比，本控制策略只在软件策略上进行改善，不需要新增硬件设施，不增加硬件成本。在尽可能的保证超级电容的利用率下，及时保护超级电容，延长使用寿命。
进一步的，当进行充电操作时，斩波柜控制直流接触网以恒流给超级电容充电至超级电容的工作阈值，在电荷量较低的时候能够稳定而快速地补充超级电容的电量。
进一步的，斩波柜控制直流接触网以100A～130A恒流给超级电容充电，采用恒流充电的原因是，恒流充电是一种稳定的快速充电方法，能够在短时间内稳定的进行电能的存储。在城轨系统中列车的启停频繁，往往在几分钟甚至几十秒的时间内就要求超级电容进行一个充放电的循环，因此能够快速稳定的进行电能储存的恒流充电方式成为了不二的选择。此处以100A～130A进行举例是综合考虑了超级电容的参数，城轨运行的要求，斩波柜长期稳定运行的要求等。
附图说明
图1为；本控制策略的控制流程框图。
附图中：Udc为直流接触网电压，C为超级电容阵列，Udc_trca为直流接触网低压阈值,Udc_feed为直流接触网高压阈值,Udc_fdb为直流接触网母线电压采样值，Ic为超级电容放电电流采样值，Uc为超级电容端电压采样值，Uc_min为超级电容最低放电阈值，Uc_max为超级电容最高充电阈值，Icharge是超级电容恒流充电值，Mode1～3为工作模式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
城轨超级电容储能装置与一般的能馈装置不同的是，不仅需要在列车制动时对能量进行回馈储存，还需要在列车启动时将能量释放来达到支撑接触网压和节能的目的。同时由于超级电容自身的特性原因，还需要考虑超级电容的最佳工作状态，避免超级电容的电压过高或者过低。
参照图1，一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略，采用双电压环的偏差控制，以保证电流的响应速度。具体控制方法如下：
当超级电容电压Uc处于超级电容最低放电阈值Uc_min以下(即Uc≤Uc_min)时，斩波柜以恒流的方式给超级电容充电，直至超级电容的电压Uc高于超级电容最低放电阈值Uc_min加100V，此为滞环控制，避免超级电容在Uc_min附近反复进行充放电切换。
当超级电容电压Uc处于超级电容的最低放电阈值以上时，按照以下策略进行充放电控制：
当轨道交通车辆启动运行时，从直流接触网吸收功率，直流接触网电压降低，当直流接触网电压采样值Udc_fdb处于直流接触网低压阈值Udc_trca以下且超级电容电压Uc在超级电容的最低放电阈值Uc_min以上(即Udc_fdb＜Udc_trca且Uc＞Uc_min)时，斩波柜控制超级电容放电，释放能量到直流接触网，将直流接触网的电压稳定在直流接触网低压阈值Udc_trca；
当直流接触网电压采样值Udc_fdb处于大于等于直流接触网低压阈值Udc_trca且小于等于直流接触网高压阈值Udc_feed之间，且超级电容电压Uc在超级电容的最低放电阈值Uc_min以上(即Udc_feed≥Udc_fdb≥Udc_trca且Uc＞Uc_min)时，斩波柜待机，超级电容既不放电，也不充电；
当直流接触网电压采样值Udc_fdb大于直流接触网高压阈值Udc_feed且超级电容电压Uc处于超级电容最高充电阈值Uc_max以下时(即Udc_fdb＞Udc_feed且Uc＜Uc_max)，斩波柜控制超级电容充电，从直流接触网吸收能量，将直流接触网的电压Udc稳定在直流接触网高压阈值Udc_feed。
当直流接触网电压Udc_fdb大于直流接触网高压阈值Udc_feed且超级电容电压Uc处于超级电容最高充电阈值Uc_max以上时(即Udc_fdb＞Udc_feed且Uc≥Uc_max)，由于超级电容自身的保护为优先，此时不再对超级电容进行充电，装置待机。
具体而言：本控制策略实时检测直流接触网的母线电压，将直流接触网的母线电压采样值Udc_fdb同时分别与接触网牵引电压和最低充电阈值作比较(Udc_feed-Udc_fdb和Udc_trac-Udc_fdb)，再将算出来的两个电压差值限幅，Udc_feed-Udc_fdb限制为0～1，Udc_trac-Udc_fdb限制为-1～0(均为标幺化)，之后再将经过限幅后的两个电压差值相加送入PI控制器进行闭环控制。此为双电压外环。
当超级电容自身处于正常状态时(大于最低放电阈值且小于最高充电阈值)，电压外环计算出的结果作为电流环的给定值送给电流内环，控制超级电容的充(放)电电流，由于两个电压外环均分别进行了限幅，因此能够根据接触网的网压进行相应的充放电，将接触网的电压稳定在最低阈值和最高阈值之间；
当超级电容自身电压过高时(即大于等于最高充电阈值)，将之前由电压环计算出来的电流环给定值最高限制为0，最低不设限制(图中的0为示意)，如此来保证超级电容在充满状态下不能继续充电，但可以正常放电；
当超级电容自身电压过低时(即小于等于最低放电阈值)，控制超级电容以恒定的电流进行充电直到超级电容的电压高于最低放电阈值加100V，如此来保证超级电容不会过度放电的同时，避免在最低放电阈值点频繁充放电切换。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略，其特征在于，当超级电容电压Uc处于超级电容的最低放电阈值Uc_min及以下时：斩波柜控制直流接触网给超级电容充电至超级电容最低放电阈值Uc_min加100V；
当超级电容电压Uc处于超级电容的最低放电阈值以上时，按照以下策略进行充放电控制：
当直流接触网电压Udc_fdb低于直流接触网低压阈值Udc_trca、且超级电容电压Uc处于超级电容的最低放电阈值Uc_min以上时，斩波柜控制超级电容放电，将直流接触网的电压稳定在直流接触网低压阈值Udc_trca；
当直流接触网电压Udc_fdb大于等于直流接触网低压阈值且小于等于直流接触网高压阈值Udc_feed时，斩波柜待机，超级电容既不放电，也不充电；
当直流接触网电压Udc_fdb高于直流接触网高压阈值Udc_fdb，且超级电容电压处于最高充电阈值Uc_max以下时，斩波柜控制超级电容充电，将直流接触网的电压稳定在直流接触网高压阈值Udc_feed；
当直流接触网电压Udc_fdb大于直流接触网高压阈值Udc_feed且超级电容电压处于最高充电阈值Uc_max及以上时，不再对超级电容进行充电，斩波柜待机。
2.根据权利要求1所述的一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略，其特征在于，当对超级电容进行充电操作时，直流接触网以恒流的方式给超级电容充电。
3.根据权利要求2所述的一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略，其特征在于，当对超级电容进行充电操作时，斩波柜控制直流接触网以100A～130A恒流给超级电容充电。
4.根据权利要求1所述的一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略，其特征在于，超级电容的充电阈值为工作电压±3％。
5.根据权利要求1所述的一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略，其特征在于，直流接触网低压阈值为其额定工作电压-3％。
6.根据权利要求1所述的一种城轨超级电容储能装置充放电控制策略，其特征在于，直流接触网高压阈值为其额定工作电压+3％。
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