[发明专利]基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法

摘要

本发明针对超级电容储能系统的城轨列车牵引网电压稳定性问题，提出一种基于动态设定和协调控制的城轨超级电容储能系统控制方法。本发明提出基于动态设定和协调控制的城轨超级电容储能系统能量管理策略，采用四输入‑四输出模式，将设定充放电电压阈值Urefx、超级电容荷电状态(SOCx)、控制参数和城轨列车与储能装置的距离Lx作为输入，将电压动态充放电阈值作为输出。根据数学模型，根据输入动态变化，计算输出电压阈值，储能站点根据动态阈值和系统状态调节储能系统的能量吸收和释放，稳定牵引网电压。本发明动态设定和协调控制的方法具有动态性能好，鲁棒性高等优点。

主权项

1.一种基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法，其特征在于每个区间有两个超级电容储能装置A站和B站，对于A站参数，所有参数的x取为A(下同),对于B站参数，所有参数的x取为B(下同),两个装置相互协调，利用数学模型，使牵引车辆能根据供电区段内与储能装置距离L_x、超级电容荷电状态(SOC_x)，实时运行状态自行改变电压阀值，数学模型算法由三部分组成：充放电电压阈值函数、SOC_x限流模块函数和运行距离与时间函数；选取牵引车辆在供电区段内与储能装置距离L_x、超级电容荷电状态(SOC_x)、控制参数、恒定充放电电压阈值作为输入，电压阈值Uchar‑A(A储能系统充电阈值)、Uchar‑B(B储能系统充电阈值)、Udis‑A(A储能系统放电阈值)、Udis‑B(B储能系统放电阈值)作为输出；一种基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制方法，其特征在于充放电电压阈值函数、SOC_x限流模块函数和运行距离与时间函数，其设定步骤如下：1)充放电电压阈值函数：A站初始充电电压值(U_refA＝1600V)、B站初始充电电压值(U_refB＝1600V)、充电状态牵引变电站A控制参数(K_1A、K_10A)，充电状态牵引变电站B控制参数(K_1B、K_10B)；运行距离(L_x)；电容(C_x)、超级电容剩余容量下的电压值(U_SC‑x)、A系统超级电容剩余容量下的电压值(U_SC‑A),B系统超级电容剩余容量下的电压值(U_SC‑B)；超级电容最大电压值(U_SC‑max‑x)、A系统超级电容最大电压值(U_SC‑max‑A),B系统超级电容最大电压(U_SC‑max‑B)；超级电容荷电状态SOC_x,A系统超级电容荷电状态为SOC_A、B系统超级电容荷电状态为SOC_B；对于A系统x为A，对于A超级电容储能系统的充电阈值Uchar‑A，L_A是轨道交通到储能系统A的距离(L_A)，电容为C_A，对于A储能系统充电状态时，K_1A＝‑2、K_10A＝‑1000利用此时A储能系统的SOC_A值，带入(1)，得出A超级电容储能系统的充电电压阈值；对于B系统x为B，对于B超级电容储能系统的充电阈值Uchar‑B，L是轨道交通到储能系统B的距离(L_B)，电容为C_B，对于B储能系统充电状态时，K_1A＝‑10、K_10A＝2000利用此时B储能系统的SOC_B值，带入(1)，得出B超级电容储能系统的充电电压阈值；站初始放电电压值(U_refA＝1300V)、B站初始放电电压值(U_refB＝1300V)、放电状态牵引变电站A控制参数(K_2A、K_20A)、放电状态下牵引变电站B控制参数(K_2B、K_20B)；运行距离(L_X)、电容(C_X)、超级电容剩余容量下的电压值(U_SC‑x)、A系统超级电容剩余容量下的电压值(U_SC‑A),B系统超级电容剩余容量下的电压值(U_SC‑B)；超级电容最大电压值(U_SC‑max)、A系统超级电容最大电压值(U_SC‑max‑A),B系统超级电容最大电压(U_SC‑max‑B)；超级电容荷电状态SOC_x,A系统超级电容荷电状态为SOC_A、B系统超级电容荷电状态为SOC_B；对于A系统x为A,对于A超级电容储能系统的放电阈值Udis‑A，L是轨道交通到储能系统A的距离(L_A)，电容为C_A，对于A储能系统放电状态时，K_2A＝‑2、K_20A＝‑1000，利用此时A储能系统的SOC_A值，带入(2)，得出A超级电容储能系统的放电电压阈值；对于B系统x为B,对于B超级电容储能系统的放电阈值Udis‑B，L是轨道交通到储能系统B的距离(L_B)，电容为C_B，对于B储能系统放电状态时，K_2B＝0.5、K_20B＝2000，利用此时B储能系统的SOC_B值，带入(6)，得出B超级电容储能系统的放电电压阈值；2)SOC_X限流模块函数在充电状态下，超级电容器组的SOC值达到上限值后以逐渐减小电流充电，避免电容器组在接近满荷时以迅速切除大电流的方式退出运行，对储能系统造成很大的冲击损耗，引起牵引网供电系统“阶跃”震荡变化；表达式3表示超级电容储能系统充电状态下SOC_x(A系统超级电容荷电状态为SOC_A、B系统超级电容荷电状态为SOC_B)值与限流环节kc‑char(充电状态时限制系数)的函数关系；超级电容器组工作在放电模式下，避免电容器组放电至一定深度后迅速切除大电流，超级电容储能系统正常工作于充、放电模式下，通过检测系统的SOC_x值控制电容器组的充、放电电流，防止储能系统出现过冲、过放现象，保护储能系统在稳定状态下工作和延长其使用寿命；表达式4表述超级电容储能系统放电状态下SOC_x(A系统超级电容荷电状态为SOC_A、B系统超级电容荷电状态为SOC_B)值与限流环节kc‑dis(放电状态时限制系数)的函数关系；3).运行距离与时间函数在实际运行时，牵引车辆运行过程时，经历加速、惰性、制动环节，选取列车在一个供电区段内的实时运行距离L，并且分别采集在这段距离内，牵引列车在加速、惰性、制动阶段时运行的时间，得出距离和时间t的函数关系；基于动态设定和协调优化的城轨超级电容储能系统控制步骤如下(按设定时间间隔T执行)：Step1：实时采集各相关运行数据L、SOCA、SOCB、控制参数作为数学模型系统输入Step2：运行数学模型得到相应的设定值U_char‑A、U_char‑B、U_dis‑A、Udis‑BStep3：根据动态设定值进行协调控制牵引车辆在供电区间段内与储能装置距离L_x、超级电容SOC_x、控制参数、恒定充放电电压作为输入，通过数学模型，得到电压阈值，两个储能系统能量流动跟列车实时运行距离和各储能系统SOC_x状态变化有关，并且根据城轨超级电容储能系统中采取的电压电流双闭环控制系统进行，电流采用PI控制器，电流给定经过SOC_x限流模块，使电压电流在一定的限度内进行动态调整和协调配合，各储能系统能量根据电压值充分释放和吸收能量，稳定牵引网电压稳定，各储能系统利用程度趋向于均衡、合理，避免超级电容过度充放电，保护储能设备。