[发明专利]城轨混合储能系统的功率动态分配控制方法

权利要求书

1.一种城轨混合储能系统的功率动态分配控制方法，其特征在于该方法采用基于列车牵引功率前馈的双闭环控制，结合模糊推理系统和低通滤波法；通过引入列车牵引运行所需功率因子，然后运用模糊推理系统确定滤波时间常数，低通滤波器根据超级电容与电池的荷电状态变化，动态协调混合储能功率分配，从而实现混合储能系统的优化能量管理；本发明设计运行分两个阶段，实现如下：

阶段1：设计基于牵引功率前馈的混合储能系统双闭环控制策略，通过设计模糊推理系统输出的滤波时间常数τ，使低通滤波器将城轨列车牵引所需功率因子P_need分解为低频负荷P_bat和高频负荷P_sc；低频负荷主要由电池和电网提供，高频负荷由超级电容提供；低频负荷P_bat和高频负荷P_sc通过闭环PI控制双向DC/DC变换器，从而实现混合储能系统的能量优化；

首先，通过列车牵引功率前馈确定列车运行所需功率因子P_need：根据列车永磁同步电机矢量控制系统，通过转子位置传感器检测出转子角位置θ和计算出转子的速度ω；将检测的速度ω与给定速度ω_ref作比较，经过速度外环PI控制器得到输出为给定的q轴电流iq；取q轴电流iq和给定电压U_ref的数量积为需要的牵引功率P_q；给定电压U_ref与电压外环牵引网电压U_dc比较差值经PI控制器得到功率修正量ΔP，最终牵引所需功率P_q与功率修正量ΔP相加便为列车运行所需功率因子P_need；当P_need(t)0时，混合储能系统工作在放电状态，反之P_need(t)0时，混合储能系统工作在充电状态；

考虑到超级电容组容量有限，在发挥超级电容高功率、电池大容量优势的前提下，为避免超级电容容量不足而导致过充过放，以及实现电池保护，在列车运行过程中以超级电容与电池的荷电状态为参考实现启动/制动功率的动态分配；设超级电容荷电状态SOCsc与电池荷电状态SOCbat；超级电容荷电状态上限为SOCsc_max，下限为SOCsc_min；电池荷电状态上限为SOCbat_max，下限为SOCbat_min；因此设计超级电容容量区间为[SOCsc_min，SOCsc_max]，电池容量区间为[SOCbat_min，SOCbat_max]；为限制超级电容与电池容量降低/升高过快，在超级电容容量区间内选择最高保护阈值SOCsc_h和最低保护阈值SOCsc_l；为限制电池过放，在电池容量区间内选择最低保护阈值SOCbat_l；功率分配策略具体如下：

一.当列车启动时：

1.当SOCscSOCsc_h时，超级电容与电网承担启动功率，电池不工作；

2.当SOCbat_l≤SOCbatSOCbat_max时，电池处于正常工作状态，且按以下情况进行功率分配：

(1)当SOCsc_l≤SOCsc≤SOCsc_h时，启动功率由电池与超级电容、电网一起承担，并根据滤波算法合理分配启动功率；

(2)当SOCsc_minSOCscSOCsc_l时，超级电容进入保护状态，电池与电网承担剩余启动功率；

3.当SOCbatSOCbat_l时，电池进入保护状态，且按以下情况进行功率分配：

(1)当SOCsc_l≤SOCsc≤SOCsc_h时，启动功率由超级电容、电网一起承担；

(2)当SOCsc_minSOCscSOCsc_l时，超级电容进入保护状态，电网承担剩余启动功率；

二.当列车制动时：

1.当SOCscSOCsc_l时，超级电容承担充电功率，电池和电网不工作；

2.当SOCbatSOCbat_max时，电池进入工作状态，且按以下情况进行功率分配：

(1)当SOCsc_l≤SOCsc≤SOCsc_h时，制动功率由电池与超级电容、电网一起承担，并根据滤波算法合理分配制动功率；

(2)当SOCsc_hSOCsc时，超级电容接近饱和状态，电池与电网承担剩余制动功率；

然后，设计mamdani型模糊推理系统，选取输入信号为超级电容电荷状态SOC_SC(t)和电池荷电状态SOC_bat(t)，输出信号为滤波时间常数τ；

设计模糊推理系统时，需将输入和输出值进行模糊化，确定模糊论域；模糊推理系统的模糊子集可设置为：SOC_SC(t)＝{SSSMBPB}，表示为{非常小小适中大非常大}；SOC_bat(t)＝{SSSMBPB}，表示为{非常小小适中大非常大}；τ＝{ZOSSSBPB}，表示为{零非常小小适中大非常大}；其中的SSSMBPB分别与非常小小适中大非常大，一一对应；超级电容荷电状态SOC_SC(t)模糊论域为[0.20.8]，电池荷电状态SOC_bat(t)模糊论域为[0.20.8]，滤波时间常数τ模糊论域为[1020]；

为使各输入和输出实际论域和模糊集合论域一致，需要将实际论域转化为模糊集合论域，在此引入量化因子，Ksoc为超级电容荷电状态量化因子、Kbat为锂电池荷电状态量化因子、Kt为滤波时间常数量化因子；

SOCsc、SOCbat、τ隶属函数采用三角函数公式或高斯型函数公式：

三角形函数公式：

要求a≤b≤c，a、b、c分别为隶属度左、中、右坐标，x为输入值；

高斯型：

其中，c隶属函数中心的位置，σ为隶属函数曲线的宽度，x为输入值；

确定模糊推理规则如下表：

(表1)

确定模糊规则后，采用面积中心法进行解模糊化；面积中心法即求出模糊集合隶属函数曲线与横坐标包围区域面积的中心，选这个中心对应的横坐标值，作为这个模糊集合的代表值；

设论域U上集合A的隶属函数为A(u)，u∈U；假设面积中心对应的横坐标为Ucen，按面积中心法的定义，可由下式得出：

其中Ucen为面积中心对应横坐标，U为论域，u为论域子集，A(u)为隶属函数；

最终，设计混合储能系统功率分配：

一阶低通滤波器的传递函数：

其中，τ为滤波时间常数，s为复频域中的变量；其中，对滤波时间常数τ的控制是滤波控制的核心问题；

根据输出的滤波时间常数τ得到电池、超级电容的实际分配功率：

其中，P_bat为电池实际分配的低频负荷，P_sc为超级电容的实际分配的高频负荷，P_need为列车运行所需功率因子(包括加速、惰行、制动工况)，τ为滤波时间常数，s为复频域中的变量；滤波时间常数τ越大，电池分配的低频负荷的变化范围就越小，超级电容分配的高频负荷变化范围越大；滤波时间常数τ越小，电池分配的低频负荷的变化范围就越大，超级电容分配的高频负荷变化范围越小；

阶段2：系统运行，具体运行步骤如下：

Step1：根据列车牵引功率前馈计算列车运行所需功率因子P_need；

Step2：根据SOC_SC(t)、SOC_bat(t)变化确定混合储能系统工作状态；

Step3：实时采集混合储能系统荷电状态SOC_bat(t)、SOC_SC(t)并通过量化因子转换成模糊推理系统的输入，运行模糊推理系统得到输出的滤波时间常数τ；

Step4：列车运行所需功率因子P_need通过低通滤波器进行混合储能系统的功率分配，得到低频负荷P_bat和高频负荷P_sc；

Step5：低频负荷P_bat和高频负荷P_sc与反馈的电池组实时电压U_bat和超级电容实时电压U_sc相除后分别得到电池电流给定值i_{bat_ref}与超级电容电流给定值i_{sc_ref}，然后电流i_{bat_ref}与i_{sc_ref}分别与电流内环电池电流i_bat和超级电容电流i_sc比较差值经PI控制器后用于调节控制双向DC/DC变换器开关管驱动脉冲信号。