CN112165147A - 一种储能供电管理方法 - Google Patents

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CN112165147A CN202010820044.4A CN202010820044A CN112165147A CN 112165147 A CN112165147 A CN 112165147A CN 202010820044 A CN202010820044 A CN 202010820044A CN 112165147 A CN112165147 A CN 112165147A
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batt
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energy
soc
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刁利军
吴健
袁月
王占国
张言茹
齐洪峰
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    • H02J7/342—The other DC source being a battery actively interacting with the first one, i.e. battery to battery charging

Abstract

本发明涉及一种储能供电管理方法，包括以下步骤：S1、构建列车供电系统模型；S2、根据列车运行需求对供电系统进行容量配置，并分析各个工况下系统内能量流动情况；S3、结合列车运行需求和各种能量源特性等实际情况设计列车储能供电管理方法。本发明解决了列车不同能量源之间的能量分配问题，针对列车无接触网储能供电系统，采用合理有效的储能供电管理方法可以使牵引系统在满足列车运行要求下，既能充分发挥蓄电池和超级电容的特点，又能提高整车的节能经济性。由于技术的通用性，该发明内容同样可以用于船舶、车辆等采用储能供电的驱动系统。

Description

一种储能供电管理方法
技术领域
本发明涉及储能供电管理技术领域，尤其涉及一种列车储能供电管理方法。
背景技术
随着我国经济的发展，城市化率以及区域城镇化率不断提高，越来越多的人口涌进城市，致使交通出行压力增大，我国现有的城市公共交通系统难以满足人们快速、便捷的公共出行需求。因此，在市场的实际需求和国家城市化建设的战略发展的背景下，以优化城市内部与城市之间的公共交通以及景观优化、绿色节能为目标，发展一种高效、安全、节能的交通供电方式成为提高交通发展质量和实现绿色节能交通的有效途径。
储能供电列车作为公共交通一种全新的供电模式，可以实现对现有地铁、轻轨、公交系统有网供电的有效补充，并与之形成生态化和一体化的未来交通供电体系。储能供电具有没有视觉污染、模块化、成组灵活等优势，能够满足城市建设整洁绿色的需求，具有广阔的市场前景。所以，掌握和构建储能供电系统的核心技术和标准规范体系，具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的实施例提供了一种列车储能供电管理方法，以克服现有技术的缺陷。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种储能供电管理方法,包括以下步骤：
S1、构建列车供电系统模型；
S2、根据列车运行需求对供电系统进行容量配置，并分析各个工况下系统内能量流动情况；
S3、结合列车运行需求和各种能量源特性设计列车储能供电管理方法。
步骤S1的具体步骤为：
S11、建立蓄电池模型：
Vbatt(t)＝Vocv_batt(t)-ibatt(t)Ro.batt-Vp(t)
Figure BDA0002634137550000021
Figure BDA0002634137550000022
式中，Vbatt(t)、Vocv_batt(t)、ibatt(t)和Vp(t)分别代表蓄电池t时刻的输出电压、开路电压、输出电流和极化电压，Cp、Rp和Ro.batt分别代表蓄电池的极化电容、极化电阻和内阻，SOCbatt(t)和SOCbatt(0)分别是蓄电池t时刻SOC值和初始状态SOC常数值，Q代表的是蓄电池容量。
S12、建立超级电容模型，采用RC简化模型：
Figure BDA0002634137550000023
VSC(t)＝Vocv_sc(t)-iSC(t)Ro.SC
Figure BDA0002634137550000031
式中，Vocv_sc(t)、VSC(t)和iSC(t)分别代表超级电容t时刻的开路电压、输出电压和输出电流，Vocv_sc(0)代表超级电容的初始电压，C和Ro.SC代表超级电容的电容值和等效内阻，SOCSC(t)和Vocv.max(t)分别是t时刻超级电容SOC值和标称开路电压。
步骤S2的具体步骤为：
S21、利用一种简单估算方法，对列车牵引工况和制动工况下的蓄电池和超级电容进行容量配置；当列车处于牵引工况时，优先使用超级电容为列车供电，当超级电容发挥到最大放电能力，电压达到最低阈值时，列车牵引所需的剩余能量由蓄电池提供；当列车处于制动工况时，超级电容以最大充电能力吸收列车的制动能量；
牵引工况下，配置超级电容的容量公式为：
Figure BDA0002634137550000032
式中，Ns.SC和Np.SC分别代表超级电容单体串联数和并联数，Ebra.max代表超级电容在列车运行全程中吸收的最大能量，Cone代表超级电容单体容值，VSC.max和VSC.min分别代表超级电容单体的电压上限和电压下限，ηDC/DC代表变换器效率，ceil代表取整。
牵引工况下，配置蓄电池的容量公式为：
Figure BDA0002634137550000033
式中，Ns.batt和Np.batt分别代表蓄电池单体串联数和并联数，Etra.all代表牵引工况下列车的总能量需求，ESC.all代表超级电容的总能量，Qone代表蓄电池单体容量，V1.batt代表蓄电池单体电压，DODbatt代表蓄电池放电深度。
S22、在对列车供电系统进行能量配置后，对列车运行过程中各工况下系统的能量流动情况进行研究；
S23、当列车停站时，由蓄电池放电为列车提供辅助系统所需的能量；当超级电容和蓄电池的SOC均不满足列车启动要求时，则在站内同时为超级电容和蓄电池进行充电；当超级电容吸收的制动能量使其足够满足列车启动要求，而蓄电池的SOC较低时，则使超级电容为蓄电池充电。
步骤S3的具体步骤为：
S31、为降低牵引系统能量损耗，在列车牵引运行阶段要最大限度地发挥超级电容的作用为列车提供能量，牵引所需的剩余能量由蓄电池补充；
S32、在列车牵引工况下，将列车牵引阶段离散化处理，在每一个离散时刻点通过计算优化目标评价方程得到当前时刻牵引系统总能量损耗，同时预测下一时刻超级电容的SOC值，更新到约束方程中；
牵引系统总能量损耗包括蓄电池能量损耗和超级电容能量损耗，具体表示为：
Wloss(k)＝Wloss.batt(k)+Wloss.SC(k)
Figure BDA0002634137550000041
Figure BDA0002634137550000051
Figure BDA0002634137550000052
其中Wloss(k)为k时刻牵引系统总能量损耗，Wloss.batt(k)为k时刻蓄电池能量损耗，Wloss.SC(k)为k时刻超级电容能量损耗，Vbatt(k)为k时刻蓄电池输出电压，VSC(k)为k时刻超级电容输出电压，ibatt(k)为k时刻蓄电池输出电流，iSC(k)为k时刻超级电容输出电流，Ro.batt为蓄电池内阻，Ro.SC(k)为k时刻超级电容内阻，Pdmd(k)为k时刻直流侧功率，G(k)为优化目标评价方程，Ts为采样时间，α(k)为功率分配系数；
所述约束方程为：
Figure BDA0002634137550000053
式中，Vbatt(k+1)、VSC(k+1)、Ibatt(k+1)、ISC(k+1)、SOCbatt(k+1)、SOCSC(k+1)分别表示k+1时刻蓄电池电压值、超级电容电压值、蓄电池电流值、超级电容电流值、蓄电池SOC值和超级电容的SOC值，Vbatt.min和Vbatt.max分别表示蓄电池的电压下限值和上限值，VSC.min和VSC.max分别表示超级电容的电压下限值和上限值，ibatt.min和ibatt.max分别表示蓄电池的电流下限值和允许通过的最大电流，iSC.min和iSC.max分别表示超级电容的电流下限值和允许通过的最大电流，SOCbatt.min和SOCbatt.max分别表示蓄电池SOC的下限值和上限值，SOCSC.min和SOCSC.max分别表示超级电容SOC的下限值和上限值，α为功率分配系数；
S33、在列车制动工况下，利用约束控制最大限度地让超级电容吸收制动能量，此阶段超级电容和蓄电池的储能供电管理方法为：
Figure BDA0002634137550000061
Figure BDA0002634137550000062
式中，PSC(k)为k时刻超级电容吸收功率，SOCSC(k)和SOCSC.max分别为超级电容k时刻的SOC值和SOC最大值，Pbatt(k)为k时刻蓄电池吸收功率，Pd(k)为k时刻列车制动工况下的回馈功率，
Figure BDA0002634137550000063
为双向DC/DC变换器允许流过的最大功率。
本发明的有益效果：(1)本发明的控制方法对模型的精度要求不高，建模方便，利用实验可以获得模型的过程描述，其内部工作机理可以忽略；(2)控制方法中采用离散卷积模型，信息冗余量大，控制系统的鲁棒性更强、稳定性更高；(3)控制方法中优化目标不是全局一次优化实现，而是通过滚动优化、迭代计算实现，在每一个时刻点都能及时处理扰动、畸变等突发状况，因此动态性能更好；(4)作为非线性控制方法的一种，能够解决优化目标下的多变量、约束性问题，这与实际项目中混合储能供电系统的能量管理控制问题十分吻合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为列车供电系统拓扑图；
图2为一种储能供电管理方法流程图；
图3为预测控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明所述的储能供电管理方法，包括以下步骤：
S1、构建列车供电系统模型，其拓扑结构如图1所示，具体为：
S11、建立蓄电池模型：
Vbatt(t)＝Vocv_batt(t)-ibatt(t)Ro.batt-Vp(t)
Figure BDA0002634137550000071
Figure BDA0002634137550000072
式中，Vbatt(t)、Vocv_batt(t)、ibatt(t)和Vp(t)分别代表蓄电池t时刻的输出电压、开路电压、输出电流和极化电压，Cp、Rp和Ro.batt分别代表蓄电池的极化电容、极化电阻和内阻，SOCbatt(t)和SOCbatt(0)分别是蓄电池t时刻SOC值和初始状态SOC常数值，Q代表的是蓄电池容量。
S12、建立超级电容模型，采用RC简化模型：
Figure BDA0002634137550000073
VSC(t)＝Vocv_sc(t)-iSC(t)Ro.SC
Figure BDA0002634137550000081
式中，Vocv_sc(t)、VSC(t)和iSC(t)分别代表超级电容t时刻的开路电压、输出电压和输出电流，Vocv_sc(0)代表超级电容的初始电压，C和Ro.SC代表超级电容的电容值和等效内阻，SOCSC(t)和Vocv.max(t)分别是t时刻超级电容SOC值和标称开路电压。
S2、根据列车运行需求对供电系统进行容量配置，并分析各个工况下系统内能量流动情况，具体包括以下步骤：
S21、利用一种简单估算方法，对列车牵引工况和制动工况下的蓄电池和超级电容进行容量配置。当列车处于牵引工况时，由于超级电容具有功率密度大、充放电速度快的优点，所以优先使用超级电容为列车供电，当超级电容发挥到最大放电能力，即电压达到最低阈值时，列车牵引所需的剩余能量由蓄电池提供；当列车处于制动工况时，此时超级电容以最大充电能力吸收列车的制动能量。
牵引工况下，配置超级电容的容量公式为：
Figure BDA0002634137550000082
式中，Ns.SC和Np.SC分别代表超级电容单体串联数和并联数，Ebra.max代表超级电容在列车运行全程中吸收的最大能量，Cone代表超级电容单体容值，VSC.max和VSC.min分别代表超级电容单体的电压上限和电压下限，ηDC/DC代表变换器效率，ceil代表取整。
牵引工况下，配置蓄电池的容量公式为：
Figure BDA0002634137550000091
式中，Ns.batt和Np.batt分别代表蓄电池单体串联数和并联数，Etra.all代表牵引工况下列车的总能量需求，ESC.all代表超级电容的总能量，Qone代表蓄电池单体容量，V1.batt代表蓄电池单体电压，DODbatt代表蓄电池放电深度。
S22、在对列车供电系统进行能量配置后，为了实现各个工况下蓄电池+超级电容混合储能系统的功率分配，对列车运行过程中各工况下系统的能量流动情况进行研究。
S23、当列车停站时，由蓄电池放电为列车提供辅助系统所需的能量。当超级电容和蓄电池的SOC均不满足列车启动要求时，则在站内同时为超级电容和蓄电池进行充电；当超级电容吸收的制动能量使其足够满足列车启动要求，而蓄电池的SOC较低时，则使超级电容为蓄电池充电。
S3、结合列车运行需求和各种能量源特性等实际情况设计列车储能供电管理方法，列车牵引工况下的储能供电管理方法如图2所示。
S31、为降低牵引系统能量损耗，在列车牵引运行阶段要最大限度地发挥超级电容的作用为列车提供能量，牵引所需的剩余能量由蓄电池补充。
S32、在列车牵引工况下，将列车牵引阶段离散化处理，在每一个离散时刻点通过计算优化目标评价方程得到当前时刻牵引系统总能量损耗，同时预测下一时刻超级电容的SOC值，更新到约束方程中，控制原理如图3所示。
牵引系统总能量损耗包括蓄电池能量损耗和超级电容能量损耗，具体表示为：
Wloss(k)＝Wloss.batt(k)+Wloss.SC(k)
Figure BDA0002634137550000101
Figure BDA0002634137550000102
Figure BDA0002634137550000103
其中Wloss(k)为k时刻牵引系统总能量损耗，Wloss.batt(k)为k时刻蓄电池能量损耗，Wloss.SC(k)为k时刻超级电容能量损耗，Vbatt(k)为k时刻蓄电池输出电压，VSC(k)为k时刻超级电容输出电压，ibatt(k)为k时刻蓄电池输出电流，iSC(k)为k时刻超级电容输出电流，Ro.batt为蓄电池内阻，Ro.SC(k)为k时刻超级电容内阻，Pdmd(k)为k时刻直流侧功率，G(k)为优化目标评价方程，Ts为采样时间，α(k)为功率分配系数。
所述约束方程为：
Figure BDA0002634137550000104
式中，Vbatt(k+1)、VSC(k+1)、Ibatt(k+1)、ISC(k+1)、SOCbatt(k+1)、SOCSC(k+1)分别表示k+1时刻蓄电池电压值、超级电容电压值、蓄电池电流值、超级电容电流值、蓄电池SOC值和超级电容的SOC值，Vbatt.min和Vbatt.max分别表示蓄电池的电压下限值和上限值，VSC.min和VSC.max分别表示超级电容的电压下限值和上限值，ibatt.min和ibatt.max分别表示蓄电池的电流下限值和允许通过的最大电流，iSC.min和iSC.max分别表示超级电容的电流下限值和允许通过的最大电流，SOCbatt.min和SOCbatt.max分别表示蓄电池SOC的下限值和上限值，SOCSC.min和SOCSC.max分别表示超级电容SOC的下限值和上限值，α为功率分配系数。
S33、在列车制动工况下，利用约束控制最大限度地让超级电容吸收制动能量，此阶段超级电容和蓄电池的储能供电管理方法为：
Figure BDA0002634137550000111
Figure BDA0002634137550000112
式中，PSC(k)为k时刻超级电容吸收功率，SOCSC(k)和SOCSC.max分别为超级电容k时刻的SOC值和SOC最大值，Pbatt(k)为k时刻蓄电池吸收功率，Pd(k)为k时刻列车制动工况下的回馈功率，
Figure BDA0002634137550000113
为双向DC/DC变换器允许流过的最大功率。
本发明实施例提供了一种列车能量管理控制方法，解决了列车不同能量源之间的能量分配问题，针对列车无接触网储能供电系统，采用合理有效的储能供电管理方法可以使牵引系统在满足列车运行要求下，既能充分发挥蓄电池和超级电容的特点，又能提高整车的节能经济型。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。而且，由于技术的通用性，该发明内容同样可以用于船舶、车辆等采用储能供电的驱动系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种储能供电管理方法,其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建列车供电系统模型；
S2、根据列车运行需求对供电系统进行容量配置，并分析各个工况下系统内能量流动情况；
S3、结合列车运行需求和各种能量源特性设计列车储能供电管理方法。
2.如权利要求1所述的储能供电管理方法，其特征在于：步骤S1的具体步骤为：
S11、建立蓄电池模型：
Vbatt(t)＝Vocv_batt(t)-ibatt(t)Ro.batt-Vp(t)
Figure FDA0002634137540000011
Figure FDA0002634137540000012
式中，Vbatt(t)、Vocv_batt(t)、ibatt(t)和Vp(t)分别代表蓄电池t时刻的输出电压、开路电压、输出电流和极化电压，Cp、Rp和Ro.batt分别代表蓄电池的极化电容、极化电阻和内阻，SOCbatt(t)和SOCbatt(0)分别是蓄电池t时刻SOC值和初始状态SOC常数值，Q代表的是蓄电池容量；
S12、建立超级电容模型，采用RC简化模型：
Figure FDA0002634137540000013
VSC(t)＝Vocv_sc(t)-iSC(t)Ro.SC
Figure FDA0002634137540000021
式中，Vocv_sc(t)、VSC(t)和iSC(t)分别代表超级电容t时刻的开路电压、输出电压和输出电流，Vocv_sc(0)代表超级电容的初始电压，C和Ro.SC代表超级电容的电容值和等效内阻，SOCSC(t)和Vocv.max(t)分别是t时刻超级电容SOC值和标称开路电压。
3.如权利要求2所述的储能供电管理方法，其特征在于：步骤S2的具体步骤为：
S21、利用一种简单估算方法，对列车牵引工况和制动工况下的蓄电池和超级电容进行容量配置；当列车处于牵引工况时，优先使用超级电容为列车供电，当超级电容发挥到最大放电能力，电压达到最低阈值时，列车牵引所需的剩余能量由蓄电池提供；当列车处于制动工况时，超级电容以最大充电能力吸收列车的制动能量；
牵引工况下，配置超级电容的容量公式为：
Figure FDA0002634137540000022
式中，Ns.SC和Np.SC分别代表超级电容单体串联数和并联数，Ebra.max代表超级电容在列车运行全程中吸收的最大能量，Cone代表超级电容单体容值，VSC.max和VSC.min分别代表超级电容单体的电压上限和电压下限，ηDC/DC代表变换器效率，ceil代表取整；
牵引工况下，配置蓄电池的容量公式为：
Figure FDA0002634137540000023
式中，Ns.batt和Np.batt分别代表蓄电池单体串联数和并联数，Etra.all代表牵引工况下列车的总能量需求，ESC.all代表超级电容的总能量，Qone代表蓄电池单体容量，V1.batt代表蓄电池单体电压，DODbatt代表蓄电池放电深度；
S22、在对列车供电系统进行能量配置后，对列车运行过程中各工况下系统的能量流动情况进行研究；
S23、当列车停站时，由蓄电池放电为列车提供辅助系统所需的能量；当超级电容和蓄电池的SOC均不满足列车启动要求时，则在站内同时为超级电容和蓄电池进行充电；当超级电容吸收的制动能量使其足够满足列车启动要求，而蓄电池的SOC较低时，则使超级电容为蓄电池充电。
4.如权利要求3所述的储能供电管理方法，其特征在于：步骤S3的具体步骤为：
S31、为降低牵引系统能量损耗，在列车牵引运行阶段要最大限度地发挥超级电容的作用为列车提供能量，牵引所需的剩余能量由蓄电池补充；
S32、在列车牵引工况下，将列车牵引阶段离散化处理，在每一个离散时刻点通过计算优化目标评价方程得到当前时刻牵引系统总能量损耗，同时预测下一时刻超级电容的SOC值，更新到约束方程中；
牵引系统总能量损耗包括蓄电池能量损耗和超级电容能量损耗，具体表示为：
Wloss(k)＝Wloss.batt(k)+Wloss.SC(k)
Figure FDA0002634137540000041
Figure FDA0002634137540000042
Figure FDA0002634137540000043
其中Wloss(k)为k时刻牵引系统总能量损耗，Wloss.batt(k)为k时刻蓄电池能量损耗，Wloss.SC(k)为k时刻超级电容能量损耗，Vbatt(k)为k时刻蓄电池输出电压，VSC(k)为k时刻超级电容输出电压，ibatt(k)为k时刻蓄电池输出电流，iSC(k)为k时刻超级电容输出电流，Ro.batt为蓄电池内阻，Ro.SC(k)为k时刻超级电容内阻，Pdmd(k)为k时刻直流侧功率，G(k)为优化目标评价方程，Ts为采样时间，α(k)为功率分配系数；
所述约束方程为：
Figure FDA0002634137540000044
式中，Vbatt(k+1)、VSC(k+1)、Ibatt(k+1)、ISC(k+1)、SOCbatt(k+1)、SOCSC(k+1)分别表示k+1时刻蓄电池电压值、超级电容电压值、蓄电池电流值、超级电容电流值、蓄电池SOC值和超级电容的SOC值，Vbatt.min和Vbatt.max分别表示蓄电池的电压下限值和上限值，VSC.min和VSC.max分别表示超级电容的电压下限值和上限值，ibatt.min和ibatt.max分别表示蓄电池的电流下限值和允许通过的最大电流，iSC.min和iSC.max分别表示超级电容的电流下限值和允许通过的最大电流，SOCbatt.min和SOCbatt.max分别表示蓄电池SOC的下限值和上限值，SOCSC.min和SOCSC.max分别表示超级电容SOC的下限值和上限值，α为功率分配系数；
S33、在列车制动工况下，利用约束控制最大限度地让超级电容吸收制动能量，此阶段超级电容和蓄电池的储能供电管理方法为：
Figure FDA0002634137540000051
Figure FDA0002634137540000052
式中，PSC(k)为k时刻超级电容吸收功率，SOCSC(k)和SOCSC.max分别为超级电容k时刻的SOC值和SOC最大值，Pbatt(k)为k时刻蓄电池吸收功率，Pd(k)为k时刻列车制动工况下的回馈功率，
Figure FDA0002634137540000053
为双向DC/DC变换器允许流过的最大功率。
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CN105857320A (zh) * 2016-06-01 2016-08-17 北京交通大学 混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略
CN108081982A (zh) * 2017-11-30 2018-05-29 中车株洲电力机车有限公司 一种有轨电车混合供电方法
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贾志东: ""基于MPC的新能源城轨车辆混合储能控制系统的研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

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