CN112271763A - 一种混合储能系统功率分配装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于城市轨道交通的地面式电池‑超级电容混合储能系统功率分配装置和方法,具备储能元件1和储能元件2，对两种储能元件分别进行独立的电压闭环控制，对于储能元件1和储能元件2分别给定电压控制指令值，且给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具备两段不同斜率的曲线。基于本发明独立式结构的控制策略，有效减少了能量损耗，提高了储能装置的节能率，可延缓超级电容充满退出运行情况的发生，故而减少了空气制动的启动，减少能量浪费。

Description

一种混合储能系统功率分配装置和方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通再生制动能量利用技术领域，特别是涉及一种用于城市轨道交通的地面式电池-超级电容混合储能系统功率分配装置和方法。

背景技术

城市轨道交通以其相对较低的能耗与运力比，已经成为满足世界各国交通需求的一种日益普遍的选择。据统计数据显示，列车制动能量约占牵引能量的30-60％，有效利用这部分再生制动能量可以大大降低列车运行的能耗，从而提高节能效果。为了回收再生制动能量，稳定网压，越来越多的储能装置被安装在牵引供电系统中。电池、飞轮和超级电容是城市轨道交通中常用的储能元件。

目前，单储能元件的应用研究已经非常成熟，但任何单一储能单元都存在不足或局限性。因此，电池-超级电容混合储能装置统筹超级电容与电池特性优势，更适用于具有站间距短，启停频繁等特点的城市轨道交通中。采用了混合储能系统HESS(Hybrid EnergyStorage System)的城市轨道交通牵引网结构和能量流动如图1所示，电池和超级电容通过双向DC/DC变换器并联在直流母线上。图1中的能量流动为列车处于牵引、制动工况时的情况，其中P_sub为变电站输出功率，P_d为储能装置放电功率，P_c为储能装置充电功率，P_t为列车的牵引功率，P_b为列车制动功率，P_cross为列车能量交互功率，若充电阈值设置过低，储能系统会抢夺该部分能量，P_m为空气制动功率，根据列车制动限流特性，只有在电压高于限流区设定电压时，P_m的值才不为0，P_line为线路损耗。能量流动情况可以用下式(1)、(2)表示，相应的能量为对应功率对时间的积分：

P_b＝P_c+P_cross+P_line1+P_m (1)

P_t＝P_sub+P_cross+P_d-P_line2 (2)

储能装置工作在分段控制模式下，如图2所示。储能装置的控制器实时采集直流供电网络的电压U_dc，并与储能装置设定的充放电阈值进行比较，随着网压和阈值的差值增大，输出功率逐渐增大直至最大功率P_max。当网压U_dc高于充电阈值U_char*时，HESS处于充电模式。当U_dc低于放电阈值U_dis时，HESS处于放电模式。当U_dc处于充放电阈值之间时，HESS处于静置状态，不进行充放电操作。其中，充电阈值U_char*应高于空载电压U₀，放电阈值U_dis*应低于空载电压U₀，U_max为电制动切除电压，U_min为允许的最低网压。

国内外学者对于储能装置的应用已开展广泛而深入的研究。对于纯超级电容储能装置，一般采用典型双环控制结构，考虑节能量、投资成本、稳压效果等，对电压外环的充放电阈值进行优化。对于纯电池储能装置，一般需结合电池特性来进行控制。由于电池成本昂贵，使用寿命较超级电容短，且超级电容功率密度高，能量密度低，很快便充满电或放完电，因此采用电池-超级电容混合储能装置可结合二者优势，互补二者劣势。同时随着人口增加与城市化进程的加快，地铁负荷压力也逐渐增加。当出现广域供电故障时，为保证地铁安全运行，维护乘客生命财产安全，需要增设备用电源为供电故障列车提供紧急自牵引能量。现有城轨交通混合储能装置在控制上仍沿用纯储能元件系统的单电压环结构，不同储能元件共用同一电压环，在电流内环再进行功率分配。

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3所示，其中U_char*为充电阈值，U_dis*为放电阈值，U_dc为直流网压，P*为储能元件充放电功率指令值，U为储能元件电压，I*为储能元件充放电电流指令值，I为实际电流值。该结构依旧沿用纯储能元件装置的控制结构，包括单电压环和双电流环，共用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，如图4中的两种情形所示，会导致能量以热能的形式耗散，不仅造成能量浪费，且带来隧道温升、闸瓦损耗等问题。

由于共用电压环，PI调节作用后得到P_c*，再进一步进行电池和超级电容的功率分配。当充电阈值设置过低时，在较低网压储能装置便以大功率运行，会抢夺列车交互能量，即原本用于列车交互的功率减小，储能装置充电功率增大，当P_c*达到P_max，剩余制动功率由空气制动补足，导致情形1的发生。

为保证储能装置长时间运行，在电池SOC低时，应降低放电阈值，使电池多充少放逐渐提升SOC。但由于电池和超级电容共用电压外环，且超级电容功率密度高，能量密度低，导致超级电容在短时间内便会充电至允许的最大SOC，此时超级电容便退出运行，由空气制动补足剩余的制动功率，导致情形2的发生。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，进一步减少能量损耗，提高混合储能装置的节能率，本发明提出了独立式混合储能系统功率分配装置和方法，并基于该结构设计了电压外环指令值的给定曲线，该曲线考虑了储能装置的当前充放电状态和剩余容量情况。

该混合储能系统功率分配装置，具备储能元件1和储能元件2，对两种储能元件分别进行独立的电压闭环控制。所述的独立的电压闭环控制具体为对于储能元件1和储能元件2分别给定电压控制指令值。在对储能元件充电时，根据储能元件启动电压与直流母线电压的关系，使储能元件选择性的投入充电状态。当直流母线电压小于储能元件1的启动电压时，储能装置处于静置状态；当直流母线电压大于等于储能元件1的启动电压且直流母线电压小于等于储能元件2的启动电压时，仅储能元件1工作；当直流母线电压大于等于储能元件2的启动电压且直流母线电压小于等于电压外环指令值的最大值时，储能元件1和储能元件2同时工作。储能元件1的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具备两段不同斜率的曲线。储能元件2的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具备两段不同斜率的曲线。储能元件1和储能元件2的分别的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具有斜率相同的曲线。当仅有一个储能元件工作时，储能元件1和储能元件2的分别的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具有斜率不同的曲线。所述储能元件1为蓄电池，储能元件2为超级电容。所述混合电源系统应用到城市轨道交通。

一种混合储能系统功率分配方法，具备储能元件1和储能元件2，所述功率分配方法为：若高压侧的直流母线电压小于储能元件放电电压给定值，则储能元件1、2为放电状态；若直流母线电压大于等于储能元件的启动电压时则进入充电状态，在充电状态下对两种储能元件分别进行独立的电压闭环控制。

如前述的混合储能系统功率分配方法，所述的独立的电压闭环控制具体为对于储能元件1和储能元件2分别给定电压控制指令值。

如前述的混合储能系统功率分配方法，在对储能元件充电时，根据储能元件启动电压与直流母线电压的关系，使储能元件选择性的投入充电状态。

如前述的混合储能系统功率分配方法，当直流母线电压小于储能元件1的启动电压时，储能装置处于静置状态；当直流母线电压大于等于储能元件1的启动电压且直流母线电压小于等于储能元件2的启动电压时，仅储能元件1工作；当直流母线电压大于等于储能元件2的启动电压且直流母线电压小于等于电压外环指令值的最大值时，储能元件1和储能元件2同时工作。

如前述的混合储能系统功率分配方法，储能元件1的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具备两段不同斜率的曲线。

如前述的混合储能系统功率分配方法，储能元件2的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具备两段不同斜率的曲线。

如前述的混合储能系统功率分配方法，储能元件1和储能元件2的分别的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具有斜率相同的曲线。

如前述的混合储能系统功率分配方法，当仅有一个储能元件工作时，储能元件1和储能元件2的分别的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具有斜率不同的曲线。

如前述的混合储能系统功率分配方法，所述储能元件1为蓄电池，储能元件2为超级电容。

如前述的混合储能系统功率分配方法，所述混合电源系统应用到城市轨道交通。

本发明的有益效果是：本发明提出基于独立式结构的控制策略，有效减少了能量损耗，提高了储能装置的节能率，可延缓超级电容充满退出运行情况的发生，故而减少了空气制动的启动，减少能量浪费。

附图说明

图1为现有技术采用HESS的城市轨道交通牵引网结构和能量流动示意图；

图2为现有技术中充放电过程分段控制方式；

图3为现有技术中典型地面式混合储能系统控制方法框图；

图4为现有技术中典型地面式混合储能系统控制结构的局限性示意图；

图5为本发明地面式混合储能系统独立式控制结构；

图6为本发明独立式控制策略的电压指令值给定情况；

图7为本发明控制方法框图；

图8为本发明独立式控制策略流程图；

图9为不同控制策略下网压随时间的变化曲线；

图10为不同控制策略下SC的SOC随时间的变化曲线。

具体实施方式

下面参考附图并结合实施例对本发明进行详细说明。其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了实现对两种储能元件的有效控制，本申请针对共用电压环存在的局限性，提出了独立式控制的结构，如图5所示。该控制结构将电池和超级电容的电压外环分开进行独立控制，分别给定其充放电电压的指令值，具体来说，对于电池的电压外环、电流内环控制策略为首先判断独立判断电池的工作情况是放电还是充电，当为放电工况时，电池电压给定指令值与U_dc做差并进行外环PI调节后得到功率需求值，经过限制器后再得到电池电流给定值I_bat*，电池电流给定值与采样得到的电池电流做差并进行内环PI调节后经过限制器得到控制电池充放电的双向DC/DC变换器的开关占空比D，来控制电池的放电。对于电池的充电工况、独立于电池控制的超级电容的充放电控制策略也是类似的控制策略，不再赘述。而对于两个独立式控制结构的关键点在于如何在不同工况下分别给定电池和超级电容的外环电压给定指定值，其给定情况如附图6所示。

在独立式控制中，充放电电压外环指令值给定如图6所示，其中I_dc为储能装置高压侧电流，U_std为储能元件放电电压给定值，U_char*为储能元件电压外环电压给定值，两个储能元件的电压外环电压给定值分别是U_{char_1}*和U_{char_2}*，I_{ch_M}为充电电流最大值，U_{ch_M}为电压外环指令值的最大值，I₁为其一储能元件启动时，另一储能元件的高压侧充电电流，当两个储能元件均工作时，I_dc＝I₁+I₂，I₂为其一储能元件的高压侧电流，U_stch为储能元件的启动电压，对于两个储能元件启动电压分别为：U_{stch_1}、U_{stch_2}，r₁为a段曲线的斜率，r₂为c段曲线的斜率，其之间的关系满足公式(3)和(4)，r₁和r₂由式(5)和(6)确定，其中I_{ch_M}的计算公式为(7)。

U_{char_2}*＝U_{stch_2}+r₂×(I_dc-I₁) (4)

a、c段曲线构成储能元件1的电压给定过程，b、c段曲线构成储能元件2的电压给定过程。当列车制动时，若网压抬升至储能元件1的启动电压U_{stch_1}，则储能元件1投入运行，且电压外环指令值根据a段曲线变化，即储能装置工作电流越大，电压外环给定值越高，直至网压抬升至储能元件2的启动电压U_{stch_2}，则储能元件2也投入运行，由于两种储能元件并联于同一直流母线，因此二者同时运行时，电压外环指令值均根据c段曲线变化，此过程可表示为式(8)。

本发明的控制方法框图如图7所示，首先通过电池管理系统BMS(BatteryManagement System)和超级电容采集模块，采集电池的电压Ub、功率P_bat、SOC和超级电容的电压U_sc、功率P_sc以及超级电容的SOC信息，经过通信线传至系统的DSP控制器，同时采集储能装置高压侧的电压U_dc、电池侧电流I_B、超级电容侧电流I_C信息。

以电池优先启动为例，即U_{stch_1}＝U_{stch_Bat}<U_{stch_SC}＝U_{stch_2}，则DSP控制器可根据采集信息，按下式计算得出r₁、r₂、U_{char_Bat}*、U_{char_SC}*：

U_{char_SC}*＝U_{stch_SC}+r₂×(I_dc-I₁) (13)

当上述参数确定后，独立式控制策略流程图如图8所示，P₁和P₂分别表示储能元件1、2的功率，P_req为电压环PI调节作用得到的功率需求值。首先，混合储能系统控制器根据采集到的网压来判断储能装置是否投入运行。

若高压侧的电压U_dc小于储能元件放电电压给定值U_std，则储能元件为放电状态，功率需求值为储能元件1、2的功率。

若装置进入充电状态，通过网压和启动电压值的比较，判断哪种储能元件需投入运行，或者两种元件需同时投入运行，运行后按照式(12)和式(13)给定电压外环指令值。具体为：若高压侧的电压U_dc大于储能元件放电电压给定值U_std，在判断U_dc与储能元件1的启动电压U_{stch_1}的关系，若U_dc小于等于储能元件1的启动电压U_{stch_1}，则储能装置静置，若U_dc大于储能元件1的启动电压U_{stch_1}，则继续判断U_dc是否大于储能元件2的启动电压U_{stch_2}，若U_dc不大于储能元件2的启动电压U_{stch_2}，则只有储能元件1工作，按照只有储能元件1工作，参考a段给定电压外环值。若U_dc大于储能元件2的启动电压U_{stch_2}，则储能元件1、2均投入工作，参考c段分别给两个储能元件给定电压外环值。

本发明基于典型混合储能装置控制结构存在的局限性，提出基于独立式结构的控制策略，有效减少了能量损耗，提高了储能装置的节能率。本专利基于实际线路数据进行仿真验证，仿真结果如下图9和图10所示，图中caseS1和caseS2为采用典型地面式混合储能系统控制结构时，在电压外环给定值分别为840V和855V的网压曲线，caseS3为采用本专利提出方法时，电池启动电压840V，超级电容启动电压855V，r₁＝0.0321，r₂＝0.0082的网压曲线。从图中看出，本专利所提方法可延缓超级电容充满退出运行情况的发生，故而减少了空气制动的启动，减少能量浪费。

Claims (10)

1.一种混合储能系统功率分配装置，其特征在于，具备储能元件1和储能元件2，对两种储能元件分别进行独立的电压闭环控制。

2.根据权利要求1所述的混合储能系统功率分配装置，其特征在于，所述的独立的电压闭环控制具体为对于储能元件1和储能元件2分别给定电压控制指令值。

3.根据权利要求1所述的混合储能系统功率分配装置，其特征在于：在对储能元件充电时，根据储能元件启动电压与直流母线电压的关系，使储能元件选择性的投入充电状态。

4.根据权利要求3所述的混合储能系统功率分配装置，其特征在于：当直流母线电压小于储能元件1的启动电压时，储能装置处于静置状态；当直流母线电压大于等于储能元件1的启动电压且直流母线电压小于等于储能元件2的启动电压时，仅储能元件1工作；当直流母线电压大于等于储能元件2的启动电压且直流母线电压小于等于电压外环指令值的最大值时，储能元件1和储能元件2同时工作。

5.根据权利要求2所述的混合储能系统功率分配装置，其特征在于：储能元件1的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具备两段不同斜率的曲线。

6.根据权利要求2所述的混合储能系统功率分配装置，其特征在于：储能元件2的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具备两段不同斜率的曲线。

7.根据权利要求4所述的混合储能系统功率分配装置，其特征在于：储能元件1和储能元件2的分别的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具有斜率相同的曲线。

8.根据权利要求4所述的混合储能系统功率分配装置，其特征在于：当仅有一个储能元件工作时，储能元件1和储能元件2的分别的给定电压控制指令值与直流母线电流的函数关系中具有斜率不同的曲线。

9.根据前述任一权利要求所述的混合储能系统功率分配装置，其特征在于：所述储能元件1为蓄电池，储能元件2为超级电容。

10.一种混合储能系统功率分配方法，其特征在于：具备储能元件1和储能元件2，所述功率分配方法为：若高压侧的直流母线电压小于储能元件放电电压给定值，则储能元件1、2为放电状态；若直流母线电压大于等于储能元件的启动电压时则进入充电状态，在充电状态下对两种储能元件分别进行独立的电压闭环控制。

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