[发明专利]用于轨道交通的地面式混合储能系统的功率分配方法

说明书

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。

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变换器的损耗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；