CN111725797A - 用于轨道交通的地面式混合储能系统的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于轨道交通的地面式混合储能系统的功率分配方法，混合储能系统包括电池、超级电容和两个DC‑DC变换器；电池和超级电容分别通过一个DC‑DC变换器，并联在直流牵引网上；而功率分配方法，计算出电池、超级电容和两个DC‑DC变换器的损耗，并建立目标函数，对目标函数进行处理后得到功率分配比；本发明的目的是为了减小混合储能系统的损耗，延长电池使用寿命，提高储能装置效率和经济性，提出了基于预测控制的混合储能系统及其功率分配控制方法，该方法考虑了电池寿命的表征模型、变流器及储能元件的损耗。

Description

用于轨道交通的地面式混合储能系统的功率分配方法

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的功率分配方法。

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。这种控制方法中对电池和超级电容的功率分配通常采用启发式的基于规则的控制方法，这导致混合储能系统的损耗大、效率不高。同时，电池充放电次数较多，电池可能过充过放，进而导致电池内阻增加，容量衰减，使用寿命缩短。

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减小混合储能系统的损耗，延长电池使用寿命，提高储能装置效率和经济性，提出了基于预测控制的混合储能系统及其功率分配控制方法，该方法考虑了电池寿命的表征模型、变流器及储能元件的损耗。

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：一种用于轨道交通的地面式混合储能系统，包括电池、超级电容和两个DC-DC变换器；电池和超级电容分别通过一个DC-DC变换器，并联在直流牵引网上；直流牵引网是城市电网串联降压变压器和整流单元后形成的。其中城市电网为10kV或者35kV。

一种用于轨道交通的地面式混合储能系统功率分配方法，具体步骤如下：

S01：采用Rint等效电路模型，即可控电压源和等效串联电阻，对电池进行建模；计算出电池损耗功率P_bat,loss；

S02：采用RC模型对超级电容器进行建模；计算出超级电容的损耗功率P_sc,loss；

S03：计算出两个DC-DC变化器的损耗P_con1,loss和P_con2,loss；

S04：计算出储能系统的总损耗P_total,loss，

P_total,loss＝P_bat,loss+P_sc,loss+P_con1,loss+P_con2,loss；

S05：建立目标函数：J＝w₁f₁(k)+w₂f₂(k)；

其中：f₁为系统总损耗，f₂为电池电流波动，ω₁、ω₂为两个目标的权重系数；

S06：对各目标函数均做归一化处理，所得评价方程如式：

s.t.I_b(k)V_bat(k)+I_sc(k)V_sc(k)＝P_load(k)

I_bat,min≤I_b(k)≤I_bat,max

I_sc,min≤I_sc(k)≤I_sc,max

SOC_bat,min≤SOC_bat(k)≤SOC_bat,max

SOC_sc,min≤SOC_sc(k)≤SOC_sc,max

其中，t₀为预测开始时刻，Δt为预测步长，w为预测长度，P_load为总功率需求，I_b为电池电流，I_sc为超级电容电流；

当前混合储能系统的总功率需求P_load已知；在k＝t₀到k＝t₀+wΔt的预测区间内，测量电池电压V_bat(k)、超级电容电压V_sc(k)；将电池电流I_b(k)从0到10C带入到上式方程中的第一个功率约束条件，求解出对应的超级电容电流I_sc(k)；根据不同电池电流在不同充放电倍率下的电池电流I_b(k)和超级电容电流I_sc(k)，求出对应的目标函数的数值并找出使目标函数J最小的电池电流I_b和超级电容电流I_sc。

S07：求出下一时刻的功率分配比P

其中V_bat(k)为步骤S06中电池电压；V_sc(k)为步骤S06中超级电容电压；I_b(k)为步骤S06中电池电流；I_sc(k)为步骤S06中超级电容电流。

进一步地，所述步骤S01具体包括：

电池损耗P_bat,loss＝i_b ²R_b；

其中，i_b为电池电流，R_b为电池的内阻。

进一步地，V_ob和R_b与电池的SOC有关；V_ob、R_b与电池SOC之间的关系用六阶多项式表示，

V_ob＝a₀+a₁×SOC_b+a₂×SOC_b ²+a₃×SOC_b ³+a₄×SOC_b ⁴+a₅×SOC_b ⁵+a₆×SOC_b ⁶

R_b＝b₀+b₁×SOC_b+b₂×SOC_b ²+b₃×SOC_b ³+b₄×SOC_b ⁴+b₅×SOC_b ⁵+b₆×SOC_b ⁶

其中，V_ob等于电池的开路电压，SOC_b为电池的SOC,

SOC_b表示为：

其中Q为电池的额定容量，SOC_{b_init}为电池的初始SOC。

进一步地，所述步骤S02具体包括：

超级电容的电池损耗P_sc,loss＝i_sc ²R_sc

V_sc＝V_osc-i_scR_sc

其中i_sc为超级电容的负载电流，R_sc为超级电容的内阻，V_osc为理想电容上的电压，V_sc为超级电容的端电压。

进一步地，所述步骤S03具体包括：

其中，R_L为电感电阻，R_s为开关管的导通电阻，V_s为开关管导通压降，R_D为二极管导通电阻，为二极管导通压降V_D，D为充放电模式下开关管的占空比。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明空开的一种用于轨道交通的地面式混合储能系统功率分配方法详细分析了电池、超级电容、变换器的损耗，提出基于预测控制的混合储能系统功率分配控制算法，有效减少混合储能装置的损耗，延长电池寿命，提高储能装置效率和经济性。

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为本发明混合储能系统模型图；

图4为本发明混合储能系统功率分配控制方法的框图。

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2所示，图2为本发明混合储能系统的城轨交通供电系统图，为了实现对两种储能元件的有效控制，本发明公开一种用于轨道交通的地面式混合储能系统，包括电池、超级电容和两个DC-DC变换器；电池和超级电容分别通过一个DC-DC变换器，并联在直流牵引网上，直流牵引网是城市电网串联降压变压器和整流单元后形成的。其中城市电网为10kV或者35kV。

在储能系统的运行中，储能元件的功率分配策略，是对混合储能系统的内部进行能量管理，功率分配效果直接影响储能装置的效率和使用寿命。

考虑到城市轨道交通的负载频率特性和电池的非线性特性，本发明采用Rint等效电路模型，即可控电压源和等效串联电阻，对电池进行建模，如图3所示，图3为本发明混合储能系统模型图。V_ob等于电池的开路电压，R_b为电池的内阻。V_ob和R_b与电池的SOC有关。V_ob、R_b与电池SOC之间的关系用六阶多项式表示，式如(1)、(2)所示，电池损耗P_bat,loss计算如式(3)。

V_ob＝a₀+a₁×SOC_b+a₂×SOC_b ²+a₃×SOC_b ³+a₄×SOC_b ⁴+a₅×SOC_b ⁵+a₆×SOC_b ⁶ (1)

R_b＝b₀+b₁×SOC_b+b₂×SOC_b ²+b₃×SOC_b ³+b₄×SOC_b ⁴+b₅×SOC_b ⁵+b₆×SOC_b ⁶ (2)

P_bat,loss＝i_b ²R_b (3)

其中，i_b为电池电流，SOC_b为电池的SOC,SOC_b表示为：

其中Q为电池的额定容量，SOC_{b_init}为电池的初始SOC。

与电池相似，需要一个动态模型来描述超级电容器的电压特性。简单的电容RC模型能够以最低的计算成本准确表示超级电容器的电压。因此，选取RC模型对超级电容器进行建模，如图2所示。表达式如式(5)所示，电容损耗P_sc,loss计算如式(6)。

V_sc＝V_osc-i_scR_sc (5)

P_sc,loss＝i_sc ²R_sc (6)

其中i_sc为超级电容的负载电流，R_sc为超级电容的内阻，V_osc为理想电容上的电压，V_sc为超级电容的端电压。

如图2所示，图2中DC-DC变换器，在计算损耗时，需要考虑电感电阻R_L、开关管的导通电阻R_s、开关管导通压降V_s、二极管导通电阻R_D、二极管导通压降V_D等因素。损耗P_con1,loss计算式(7)所示，P_con2,loss同理。

其中，D为充放电模式下开关管的占空比。

至此，储能系统的总损耗P_total,loss如(8)所示。

P_total,loss＝P_bat,loss+P_sc,loss+P_con1,loss+P_con2,loss (8)

在以系统总损耗f₁为控制目标的基础上，为延长电池使用寿命，避免大的电流波动，限制最大充、放电倍率，在评价方程中加入电池电流波动f₂。为避免电池过充、过放与超级电容SOC过低，需对储能元件SOC和充放电电流进行约束。由于评价方程中多目标存在不同量纲，因此，对各目标函数均做归一化处理，所得评价方程如式(9)。

s.t.I_b(k)V_bat(k)+I_sc(k)V_sc(k)＝P_load(k)

I_bat,min≤I_b(k)≤I_bat,max

I_sc,min≤I_sc(k)≤I_sc,max

SOC_bat,min≤SOC_bat(k)≤SOC_bat,max (9)

SOC_sc,min≤SOC_sc(k)≤SOC_sc,max

其中，t₀为预测开始时刻，Δt为预测步长，w为预测长度，P_load为总功率需求，ω₁、ω₂为两个目标的权重系数。

本发明选择电池电流I_b和超级电容电流I_sc作为变量，当前混合储能的功率需求P_load已知，采用有限集模型预测控制方法，即每个预测步长内电池电流I_b都在0～10C(充放电倍率)范围内选取，在k＝t₀到k＝t₀+wΔt的预测区间内，通过求解该优化问题，得到使目标函数J最小的电池电流I_b控制序列，进而根据式(9)中的功率约束条件得到电池和超级电容的功率分配比例P。

通过将预测层向前移动一步，这个过程在下一个预测区间重复进行，代入求解出对应最小J的电池电流和超级电容电流，进而得到电池和超级电容的功率分配比例。

如图4所示，图4为本发明混合储能系统功率分配控制方法的框图；以单步预测为例详细介绍电池和超级电容的功率分配方法。

首先获取电池内阻R_b表达式、超级电容内阻R_sc，两个储能变换器中电感电阻R_L、开关管的导通电阻R_s、开关管导通压降V_s、二极管导通电阻R_D、二极管导通压降V_D参数。

以单步预测为例，即w＝1。认为总损耗和电池寿命在目标函数中的权重相同，

即ω₁＝ω₂＝0.5，(权重系数可根据系统目标灵活更改)，即将式(9)改写成式(10)。

测量电池电压V_bat(k)、超级电容电压V_sc(k)，将下一时刻电池电流I_b(k)＝[0，1C，2C，…，10C]，带入到式(10)中的功率约束条件中，求得在总功率需求P_load情况下对应的下一时刻超级电容电流I_sc(k)＝[I_sc(k)₀，I_sc(k)₁，I_sc(k)₂，…，I_sc(k)₁₀]。则系统变量如式(11)。判断各组系统变量是否满足约束条件，不满足则剔除。测量当前时刻电池电流I_b(k-1)。将对应的系统变量I_b(k)、I_sc(k)带入到目表函数J中，得式(12)。

找出式(12)中最小的值，该值对应得系统变量I_b(k)、I_sc(k)即为下一时刻的电池和超级电容的指令值，即可求出下一时刻的功率分配比P。

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 (5)

1.用于轨道交通的地面式混合储能系统的功率分配方法，其特征在于：具体步骤如下：

S01：采用Rint等效电路模型，即可控电压源和等效串联电阻，对电池进行建模；计算出电池损耗功率P_bat,loss；

S02：采用RC模型对超级电容器进行建模；计算出超级电容的损耗功率P_sc,loss；

S03：计算出两个DC-DC变化器的损耗功率P_con1,loss和P_con2,loss；

S04：计算出储能系统的总损耗P_total,loss，

P_total,loss＝P_bat,loss+P_sc,loss+P_con1,loss+P_con2,loss

S05：建立目标函数：J＝w₁f₁(k)+w₂f₂(k)；

其中：f₁为系统总损耗，f₂为电池电流波动，ω₁、ω₂为两个目标的权重系数；

S06：对各目标函数均做归一化处理，所得评价方程如下式：

s.t.I_b(k)V_bat(k)+I_sc(k)V_sc(k)＝P_load(k)

I_bat,min≤I_b(k)≤I_bat,max

I_sc,min≤I_sc(k)≤I_sc,max

SOC_bat,min≤SOC_bat(k)≤SOC_bat,max

SOC_sc,min≤SOC_sc(k)≤SOC_sc,max

其中，t₀为预测开始时刻，Δt为预测步长，w为预测长度，P_load为总功率需求，I_b为电池电流，I_sc为超级电容电流，

当前混合储能系统的总功率需求P_load已知；在k＝t₀到k＝t₀+wΔt的预测区间内，测量电池电压V_bat(k)、超级电容电压V_sc(k)；将电池电流I_b(k)从0到10C带入到上式方程中的第一个功率约束条件，求解出对应的超级电容电流I_sc(k)；根据不同电池电流在不同充放电倍率下的电池电流I_b(k)和超级电容电流I_sc(k)，求出对应的目标函数的数值并找出使目标函数J最小的电池电流I_b和超级电容电流I_sc。

S07：求出下一时刻的功率分配比P

其中V_bat(k)为步骤S06中电池电压；V_sc(k)为步骤S06中超级电容电压；I_b(k)为步骤S06中电池电流；I_sc(k)为步骤S06中超级电容电流。

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的功率分配方法，其特征在于：所述步骤S01具体包括：

电池损耗P_bat,loss＝i_b ²R_b；

其中，i_b为电池电流，R_b为电池的内阻。

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功率分配方法，其特征在于：V_ob和R_b与电池的SOC有关；V_ob、R_b与电池SOC之间的关系用六阶多项式表示，

V_ob＝a₀+a₁×SOC_b+a₂×SOC_b ²+a₃×SOC_b ³+a₄×SOC_b ⁴+a₅×SOC_b ⁵+a₆×SOC_b ⁶

R_b＝b₀+b₁×SOC_b+b₂×SOC_b ²+b₃×SOC_b ³+b₄×SOC_b ⁴+b₅×SOC_b ⁵+b₆×SOC_b ⁶

其中，V_ob等于电池的开路电压，SOC_b为电池的SOC,

SOC_b表示为：

其中Q为电池的额定容量，SOC_{b_init}为电池的初始SOC。

4.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功率分配方法，其特征在于：所述步骤S02具体包括：

超级电容的电池损耗P_sc,loss＝i_sc ²R_sc

V_sc＝V_osc-i_scR_sc

其中i_sc为超级电容的负载电流，R_sc为超级电容的内阻，V_osc为理想电容上的电压，V_sc为超级电容的端电压。

5.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功率分配方法，其特征在于：所述步骤S03具体包括：

其中，R_L为电感电阻，R_s为开关管的导通电阻，V_s为开关管导通压降，R_D为二极管导通电阻，为二极管导通压降V_D，D为充放电模式下开关管的占空比。

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