CN111628515A - 用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法 - Google Patents

用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，包括建立系统模型，采用总体测辨法即根据输入输出数据辨识的方法进行系统模型辨识；在系统模型参数估计时，以充电阈值Ucha、放电阈值Udis作为系统输入变量，变电站输出能量Esub作为输出变量；分时段辨识牵供电系统模型，并在线修正，在线动态调节地面式混合储能装置的充放电阈值，提高储能系统的节能率。

Description

用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法
技术领域
本发明属于城市轨道交通再生制动能量利用技术领域，具体涉及一种用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法。
背景技术
目前国内城市轨道交通中有多条线路配置了地面式超级电容对制动能量进行储存。由于超级电容能量密度较低，无法为供电故障列车提供足够的紧急自牵引能量。电池和超级电容混合储能系统主要应用于风电、微网、电动汽车等领域。城市轨道交通与以上应用场景大不相同，例如列车在运行当中既有运行图较为固定，列车发车间隔随时间变化，变电站空载电压的波动，以上都影响着储能系统的节能效果。电池和超级电容混合储能系统尚无应用于城轨交通的实例。
现有的比较典型的地面式混合储能系统控制方法框图如图1所示。
其原理是根据充放电阈值指令和实际网压的偏差值直接控制储能装置的充放电。该方法可以分为三部分：电压外环控制器、功率分配、电流内环控制器。电压外环控制器检测直流网压作为反馈，将直流网压与充电阈值或放电阈值的差值通过PI调节器得到储能装置的充放电功率指令值；然后分配电池和超级电容承担充放电功率，并得到电池和超级电容的充放电电流指令值；电流内环控制器分别检测电池和超级电容的充放电电流作为反馈，将反馈与电流指令值的差值通过PI调节器得到储能系统双向DC/DC变换器上下管的控制脉冲，实现对储能系统的控制。
这种控制策略较为简单，但也存在缺点。这种控制策略设置一个固定充放电阈值指令，容易受到变电站空载电压、列车制动特定、列车发车间隔变化的影响，会导致车载制动电阻启动，节能效果不佳；也有提出考虑网压波动的充电控制策略，该方法的基本控制原理是控制储能装置的端电压紧密跟随动牵引网网压的波动，使列车剩余再生制动能量尽可能的被储能装置吸收，该方法需要实时得到列车位置，实际应用中难以实现。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明的目的是为了提高系统的节能效果，减小变电站输出能量，充分利用储能装置，提出基于模型在线修正的充放电阈值调整策略，在该策略下，改善变电站空载电压、列车制动特定、列车发车间隔变化等因素对节能效果的影响，提高节能率，实现在线应用。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
用于轨道交通得地面式混合储能系统控制方法，包括建立系统模型，采用总体测辨法即根据输入输出数据辨识的方法进行系统模型辨识；在系统模型参数估计时，以充电阈值Ucha、放电阈值Udis作为系统输入变量，变电站输出能量Esub作为输出变量；
具体步骤为：
S01：测量所需数据，包括变电站的空载电压U0，列车运行时变电站输出最低电压Umin，列车制动电阻启动电压UR；
S02：确定系统输入变量区间，即以列车上下行线中的发车间隔Ts作为测量周期，以ΔU作为系统输入变量的测量间隔；
S03：系统模型辨识参数采集，即测量在不同充电阈值Ucha、放电阈值Udis的作用下对应的变电站输出能量Esub；
S04：对系统模型参数进行拟合后得到的系统模型参数的估计值；并建立新的系统模型；即得到不同时段变电站输出能量Esub与充电阈值Ucha、放电阈值Udis之间的数学模型；混合储能系统充放电控制问题就可以转化成优化方法；
S05：对新的系统模型进行优化的同时进行在线修正；其中优化方法即用求极值的方法预测下一个列车运行周期Ts使变电站输出能量最小的储能装置充电阈值Ucha*、放电阈值Udis*和变电站输出能量Esub,m；预测值设置为储能装置的充放电阈值；当下一个列车运行周期Ts结束后，测量得到这一周期实际变电站输出能量Esub，与预测值Esub,m对比，计算差值ΔE＝|Esub-Esub,m|，在ΔE满足条件时对当前时段原系统预测模型参数估计值进行在线修正；得到修正后的模型后再进行下一周期的预测，形成循环。
进一步地，系统模型采用静态模型中的多项式模型或幂函数模型或两种模型的组合模型结构。
进一步地，系统模型采用多项式模型，
Figure BDA0002545054410000021
进一步地，将系统模型分为低峰期、平峰期、高峰期三个时段分独立进行辨识。
进一步地，步骤S03中的测量公式为：
Figure BDA0002545054410000022
Figure BDA0002545054410000031
进一步地，步骤S04中，拟合函数采用最小二乘法。
进一步地，步骤S04中，新的系统模型的数学模型为：
Esub＝f1(Ucha,Udis)。
进一步地，步骤S05中，优化方法即求极值的方式为：
Minimize Esub
s.t.Ucha,min≤Ucha≤Ucha,max。
Udis,min≤Udis≤Udis,max
进一步地，步骤S05中，在线修正釆用递推最小二乘法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：分时段辨识牵供电系统模型，并在线修正，在线动态调节地面式混合储能装置的充放电阈值，提高储能系统的节能率。
附图说明
图1是背景技术中典型地面式混合储能系统控制方法框图；
图2为本发明混合储能系统的城轨交通供电系统图；
图3为牵引供电系统模型；
图4为预测模型在线修正原理框图；
图5为实施例中技术方案流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图3所示，牵引供电系统的能量流动直接影响到变电站的输出能量，牵引供电系统的能量流动与许多因素有关，其中包括列车运行曲线、列车发车间隔、变电站空载电压、储能装置的充放电阈值等，这些因素导致了牵引供电系统模型的复杂性。在影响能量流动的因素中，大多是不可控的，唯一可以控制的是储能装置的充放电阈值。如果可以获得牵引供电系统的数学模型，就可以得到不同情况下时变电站输出能量最小化的储能装置充放电阈值。
因此本专利采用总体测辨法即根据输入输出数据辨识的方法进行模型辨识，在系统模型参数估计时，以充电阈值Ucha、放电阈值Udis作为系统输入变量，变电站输出能量Esub作为输出变量。
建立系统模型1用以描述随着列车运行，在一段时间内变电站输出能量变化的规律，根据实际测量数据，选取合适的数学模型。本专利采用静态模型常用的多项式模型或幂函数模型或两种模型的组合模型结构，如式(1)所示，该式为多项式模型。
Figure BDA0002545054410000041
由于列车发车间隔随时间发生变化，且在一段时间内固定不变，根据列车发车间隔，将系统模型分为低峰期、平峰期、高峰期三个时段分独立进行辨识。
在系统模型参数估计时，需要用到所有的测量数据，包括变电站的空载电压U0，列车运行时变电站输出最低电压Umin，列车制动电阻启动电压UR；然后确定系统输入变量区间以列车上下行线中的发车间隔Ts作为测量周期，以ΔU作为系统输入变量的测量间隔，测量在不同充电阈值Ucha、放电阈值Udis的作用下对应的变电站输出能量Esub。
在实际处理过程中，测量数据往往是按时间顺序逐步给出的，我们可先处理已经得到的一批数据，如式(2)、(3)所示，
Figure BDA0002545054410000042
Figure BDA0002545054410000043
在计算时不考虑测量数据之间的时间顺序，然后根据测量数据采用最小二乘法进行系统模型参数的拟合，得到的系统模型参数的估计值。
进一步得到不同时段变电站输出能量Esub与充电阈值Ucha、放电阈值Udis之间的新的数学模型2，即数学解析表达式，如式(4)所示。
Esub＝f1(Ucha,Udis) (4)
混合储能系统充放电控制问题就可以转化成优化方法，如式(5)所示，
Minimize Esub
s.t.Ucha,min≤Ucha≤Ucha,max (5)
Udis,min≤Udis≤Udis,max
根据当前时段辨识到的系统模型，即式(4)在式(5)的约束条件下，用求极值的方法预测下一个列车运行周期Ts使变电站输出能量最小的储能装置充电阈值Ucha*、放电阈值Udis*和变电站输出能量Esub,m。将预测值设置为储能装置的充放电阈值。
当下一个列车运行周期结束后，测量得到这一周期实际变电站输出能量Esub，与预测值Esub,m对比，计算差值ΔE＝|Esub-Esub,m|，在ΔE满足条件时对当前时段原系统预测模型参数估计值进行在线修正；得到修正后的模型后再进行下一周期的预测，形成循环。如图4所示，图4为预测模型在线修正原理框图。
本专利釆用递推最小二乘法进行系统建模的在线修正，该方法计算量小、计算速度快，可实时在线应用。得到修正后的模型后，再预测下一列车运行周期的储能装置充电阈值Ucha*、放电阈值Udis*和变电站输出能量Esub,m。通过对牵引供电系统模型的在线修正和储能装置充放电阈值的动态调整，实现变电站输出能量最小，提高系统的节能效果。
下面以北京地铁八通线高峰期数据为例，其它时段同理，详细介绍本发明的过程。
如图5所示，图5为本实施例中技术方案流程图。
1、根据列车发车时刻表，将系统模型分为低峰期、平峰期、高峰期三个时段分独立进行辨识。发车间隔最短的时段为高峰期，发车间隔最长的时段为低峰期，发车间隔适中的时段为平峰期。
2、测量得该时段变电站的空载电压U0＝830V，列车运行时变电站输出最低电压Umin＝750V，列车制动电阻启动电压UR＝900V，确定系统输入变量充电阈值Ucha放电阈值Udis的区间。以ΔU作为系统输入变量的测量间隔(ΔU＝10V),则有Ucha＝[U0+ΔU，U0+2ΔU，U0+3ΔU，…，UR]，Udis＝[Umin，U0-ΔU]。
3、此时段列车上下行线中的发车间隔Ts＝180s作为测量周期，设置混合置储能系统不同充电阈值Ucha和放电阈值Udis得组合，并实时测量变电站的输出电压和电流，计算该时段得变电站输出能量Esub，如式(6)、(7)。
Figure BDA0002545054410000051
Figure BDA0002545054410000052
4、然后根据测量数据采用最小二乘法进行系统模型的拟合，得到的系统模型参数的估计值。
进一步得到不同时段变电站输出能量Esub与充电阈值Ucha、放电阈值Udis之间的新的数学模型2，
5、根据拟合得到的系统数学模型，以及充放电阈值的限制，式(5)可改写为式(9)。用求极值的数学方法求出当前模型下的使Esub最小的充电阈值Ucha*、放电阈值Udis*和变电站输出能量Esub,m。将计算的到的充电阈值Ucha*、放电阈值Udis*设置为储能装置的充放电阈值。当下一个列车发车间隔Ts结束后，测量得到这一周期实际变电站输出能量Esub，与预测值Esub,m对比，计算差值ΔE＝|Esub-Esub,m|，如果ΔE>＝1kwh，采用递推最小二乘法对当前时段原系统预测模型参数估计值进行在线修正。然后根据修正后的模型进行再预测。
Minimize Esub
s.t.840≤Ucha≤900 (9)
750≤Udis≤820
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，其特征在于：包括建立系统模型，采用总体测辨法即根据输入输出数据辨识的方法进行系统模型辨识；在系统模型参数估计时，以充电阈值Ucha、放电阈值Udis作为系统输入变量，变电站输出能量Esub作为输出变量；具体步骤为：
S01：测量所需数据，包括变电站的空载电压U0，列车运行时变电站输出最低电压Umin，列车制动电阻启动电压UR；
S02：确定系统输入变量区间，即以列车上下行线中的发车间隔Ts作为测量周期，以ΔU作为系统输入变量的测量间隔；
S03：系统模型辨识参数采集，即测量在不同充电阈值Ucha、放电阈值Udis的作用下对应的变电站输出能量Esub；
S04：对系统模型参数进行拟合后得到的系统模型参数的估计值；并建立新的系统模型；即得到不同时段变电站输出能量Esub与充电阈值Ucha、放电阈值Udis之间的数学模型；混合储能系统充放电控制问题就可以转化成优化方法；
S05：对新的系统模型进行优化的同时进行在线修正；其中优化方法即用求极值的方法预测下一个列车运行周期Ts使变电站输出能量最小的储能装置充电阈值Ucha*、放电阈值Udis*和变电站输出能量Esub,m；预测值设置为储能装置的充放电阈值；当下一个列车运行周期Ts结束后，测量得到这一周期实际变电站输出能量Esub，与预测值Esub,m对比，计算差值ΔE＝|Esub-Esub,m|，在ΔE满足条件时对当前时段原系统预测模型参数估计值进行在线修正；得到修正后的模型后再进行下一周期的预测，形成循环。
2.根据权利要求1所述的用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，其特征在于：系统模型采用静态模型中的多项式模型或幂函数模型或两种模型的组合模型结构。
3.根据权利要求2所述的用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，其特征在于：系统模型1采用多项式模型，
Figure FDA0002545054400000011
4.根据权利要求1所述用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，其特征在于：将系统模型分为低峰期、平峰期、高峰期三个时段分独立进行辨识。
5.根据权利要求1所述用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，其特征在于：步骤S03中的测量公式为：
Figure FDA0002545054400000021
。
Figure FDA0002545054400000022
6.根据权利要求1所述用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，其特征在于：步骤S04中，拟合函数采用最小二乘法。
7.根据权利要求1所述用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，其特征在于：步骤S04中，新的系统模型的数学模型为：
Esub＝f1(Ucha,Udis)。
8.根据权利要求1所述用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，其特征在于：步骤S05中，求极值的方式为：
Minimize Esub
s.t.Ucha,min≤Ucha≤Ucha,max
Udis,min≤Udis≤Udis,ma 。 x
9.根据权利要求1所述用于轨道交通的地面式混合储能系统控制方法，其特征在于：步骤S05中，在线修正釆用递推最小二乘法。
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