一种有轨电车混合储能系统能量调度方法技术方案

本发明专利技术公开了一种有轨电车混合储能系统能量调度方法，包括以下步骤：(1)采集列车行驶特性确定列车牵引负荷能量；将实时监测的列车功率和超级电容器荷电状态通过模糊控制得到锂电池储能单元的充电倍率，计算出两种储能单元的最大充放电功率；(2)计算混合储能系统容量，根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法计算混合储能系统中两种储能单元各自的预分配能量；(3)基于两种储能单元各自的实时荷电状态对其预分配能量进行二次修正，并以最大充放能量和步骤(1)所得的最大充放电功率为约束条件，将二次修正的能量值再乘以调整系数，确定两种储能单元的能量分配。本发明专利技术为有轨电车的能量回收提高了能量利用效率以及系统稳定性。

An energy scheduling method for hybrid energy storage system of tram

【技术实现步骤摘要】
一种有轨电车混合储能系统能量调度方法
本专利技术涉及一种城市轨道交通系统的能量调度方法，尤其涉及一种有轨电车混合储能系统能量调度方法。
技术介绍
随着经济快速发展，城市人口不断增多，城市化进程不断加快，交通日益堵塞，全球能源消耗也在不断增加。为了解决上述问题，城市轨道交通应运而生，其具有运输量大、环境友好度高、密度高、准点舒适、安全可靠等特点，城市轨道交通的快速崛起成为解决我国人口多、交通不便的关键。直至今日，全世界建成包括地铁、轻轨的轨道交通工程已有300多个城市。在发达国家，城市轨道交通成为城市交通的主体，约占总客运量的50％-80％：巴黎轨道交通系统总长度超过1200km；东京坐拥2000km左右的轨道交通系统；伦敦也超过了1000km。在我国铁路营运总里程已超过13万公里，其中高速铁路营运里程达到2.9万公里，城市轨道交通营运里程达到5761公里。预计到达2030年，高速铁路运营里程将翻番，城市轨道交通也将得到飞速发展，基本实现省会高铁畅通、地市互联互通。城市轨道交通对民众出行提供巨大便利，但也带来了不可忽视的问题一巨大的能源消耗。据统计，城市轨道交通用于照明、空调等辅助服务的耗电量约10％，牵引供电耗电量约90％，而再生制动能量约占牵引能量的40％，甚至更多。造成这一现象的主要原因包括：(1)交通网与地区能源网存在交集，但无法消纳就近的可再生能源；(2)城市轨道交通系统起停时产生的大量可再生能源未被回收与合理利用；(3)需求侧响应技术不够完善，未充分挖掘轨道交通负荷的可调度性特性。除此以外，城市轨道交通车辆在制动时产生的再生制动能量相当可观，且这些能量只能用于同时在线上加速的车辆，如不加以利用，会给牵引网带来安全隐患一导致列车牵引网电压大幅度提升，甚至引起再生制动失效的问题。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种有轨电车混合储能系统能量调度方法，能够提高有轨电车能量回收系统的能量利用效率以及系统稳定性。技术方案：本专利技术所采用的技术方案是一种有轨电车混合储能系统能量调度方法，应用于有轨电车能量回收系统，所述系统包括用于有轨电车能量回收的混合储能系统、牵引变电站和控制模块，所述混合储能系统包括并联的锂电池储能单元和超级电容储能单元，所述控制模块执行能量调度方法，所述能量调度方法包括以下步骤：(1)采集列车行驶特性，计算列车牵引负荷能量；采集实时监测的列车功率和超级电容器荷电状态，通过模糊控制得到锂电池储能单元的充电倍率，并由所述充电倍率计算出两种储能单元的最大充放电功率；步骤(1)中所述的列车牵引负荷能量ES计算式为：ES＝E-EL其中，再生制动能量E为：式中Fb是列车总制动力，a’是平均制动减速度，V为列车速度，V3是列车最高运行速度；列车空气损耗EL为：式中V2是恒功区间到特性区间转折速度，a2是恒转矩区间瞬时减速度，C2为常数。在计算两种储能单元的最大充放电功率时，最好是采用锂电池“首末站”充电模式，超级电容器采用“站站”充电模式，所述“首末站”充电模式是在列车到达首、末站点时，对列车充电；所述“站站”充电方式是指列车每次停靠站点都进行充电。这种方案更适合实际应用。采用此种充电模式计算的具体步骤是：(21)采集实时监测的功率Pd和超级电容器荷电状态SOCcap，通过模糊控制输出倍率的隶属函数，与根式惩罚系数f相乘后，再乘以锂电池最大倍率Cbat，max得到锂电池单元的充电倍率C*bat；其中，根式惩罚系数f为：式中，SOCbat(k)、SOCbat，max和SOCbat，min分别为锂电池单元荷电状态的实时值、最小值和最大值；k为离散的时间序列。(22)超级电容和锂电池的最大充电功率Pcap，ch，max、Pbat，ch，max表达式分别为：式中，Vcap，rate为超级电容系统额定电压，Vcap，min为其运行中的最低电压，tuc为充电时间，Vbat，max为锂电池单元充电至指定荷电状态的电压，C*bat为锂电池单元充电倍率，Qbat为锂电池单元额定容量。(2)由步骤(1)得到的列车牵引负荷能量，计算混合储能系统容量，根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法计算混合储能系统中两种储能单元各自的预分配能量。计算包括以下过程：(31)车辆起停时的负荷波动能量优先由混合储能系统提供，即混合储能系统容量Ehess为：Ehess＝ES-Egrid式中，Egrid为牵引电站离线预测能量，由牵引电站的历史运行特性预测得到。(32)根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法对混合储能系统容量Ehess进行能量预先分配，t时刻锂电池预分配能量为：式中，ΔT为采样时间间隔，τ为时间常数；超级电容器预分配能量Ecap(t)为：Ecap_ref(t)＝Ehess(t)-Ebat_ref(t)(3)基于两种储能单元各自的实时荷电状态对其预分配能量进行二次修正，并以最大充放能量和步骤(1)所得的最大充放电功率为约束条件，将二次修正的能量值再乘以调整系数，确定两种储能单元的能量分配。一种具体的二次修正方案是：(41)当储能单元的实时荷电状态高于储能单元离线荷电状态阈值以上时，超级电容超出阈值部分由电池承担，电池超出阈值部分由牵引变电站承担；所述的阈值取值10％，当储能单元的实时荷电状态高于储能单元离线荷电状态10％以上时，超级电容的二次修正量为；式中，SOCcap(t)为超级电容调整策略前的实时荷电状态，SOCCAP(t)为超级电容离线时的荷电状态，Ecap为超级电容预分配能量；ΔT为采样时间间隔；锂电池的二次修正量为：式中，SOCbat(t)为锂电池调整策略前的实时荷电状态，SOCBAT(t)为锂电池离线时的荷电状态，Ebat为锂电池预分配能量。(42)当储能单元的实时荷电状态低于储能单元离线荷电状态阈值以下时，超级电容低出阈值部分由电池承担，电池低出阈值部分通过降低牵引变电站输出功率来修正，若出现未吸收完的制动量，则通过制动电阻消耗；所述的阈值取值10％，当储能单元的实时荷电状态低于储能单元离线荷电状态10％以下时，超级电容和锂电池的二次修正量分别为；式中，SOCcap(t)为超级电容调整策略前的实时荷电状态，SOCCAP(t)为超级电容离线时的荷电状态，Ecap为超级电容预分配能量；SOCbat(t)为锂电池调整策略前的实时荷电状态，SOCBAT(t)为锂电池离线时的荷电状态，Ebat为锂电池预分配能量。(43)将储能单元荷电状态平均分为5个区间，分别为过放、低荷电、正常、高荷电以及过充状态，当储能单元处于低荷电状态且放电时或者处于高荷电状态且充电时，引入调整系数a，计算储能单元调整能量Ead(t)＝aEref(t)，其中Eref为调整前的储能单元能量。所述的调整系数a的取值如下：如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有轨电车混合储能系统能量调度方法，应用于有轨电车能量回收系统，所述系统包括用于有轨电车能量回收的混合储能系统、牵引变电站和控制模块，所述混合储能系统包括并联的锂电池储能单元和超级电容储能单元，所述控制模块执行能量调度方法，其特征在于，所述能量调度方法包括以下步骤：/n(1)采集列车行驶特性，计算列车牵引负荷能量；采集实时监测的列车功率和超级电容器荷电状态，通过模糊控制得到锂电池储能单元的充电倍率，并由所述充电倍率计算出两种储能单元的最大充放电功率；/n(2)由步骤(1)得到的列车牵引负荷能量，计算混合储能系统容量，根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法计算混合储能系统中两种储能单元各自的预分配能量；/n(3)基于两种储能单元各自的实时荷电状态对其预分配能量进行二次修正，并以最大充放能量和步骤(1)所得的最大充放电功率为约束条件，将二次修正的能量值再乘以调整系数，确定两种储能单元的能量分配。/n

【技术特征摘要】
1.一种有轨电车混合储能系统能量调度方法，应用于有轨电车能量回收系统，所述系统包括用于有轨电车能量回收的混合储能系统、牵引变电站和控制模块，所述混合储能系统包括并联的锂电池储能单元和超级电容储能单元，所述控制模块执行能量调度方法，其特征在于，所述能量调度方法包括以下步骤：
(1)采集列车行驶特性，计算列车牵引负荷能量；采集实时监测的列车功率和超级电容器荷电状态，通过模糊控制得到锂电池储能单元的充电倍率，并由所述充电倍率计算出两种储能单元的最大充放电功率；
(2)由步骤(1)得到的列车牵引负荷能量，计算混合储能系统容量，根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算法计算混合储能系统中两种储能单元各自的预分配能量；
(3)基于两种储能单元各自的实时荷电状态对其预分配能量进行二次修正，并以最大充放能量和步骤(1)所得的最大充放电功率为约束条件，将二次修正的能量值再乘以调整系数，确定两种储能单元的能量分配。


2.根据权利要求1所述的有轨电车混合储能系统能量调度方法，其特征在于：步骤(1)中所述的列车牵引负荷能量ES计算式为：
ES＝E-EL
其中，再生制动能量E为：



式中Fb是列车总制动力，a’是平均制动减速度，V为列车速度，V3是列车最高运行速度；
列车空气损耗EL为：



式中V2是恒功区间到特性区间转折速度，a2是恒转矩区间瞬时减速度，C2为常数。


3.根据权利要求1所述的有轨电车混合储能系统能量调度方法，其特征在于：步骤(1)中所述的计算两种储能单元的最大充放电功率，计算时锂电池采用“首末站”充电模式，超级电容器采用“站站”充电模式，所述“首末站”充电模式是在列车到达首、末站点时，对列车充电；所述“站站”充电方式是指列车每次停靠站点都进行充电。


4.根据权利要求3所述的有轨电车混合储能系统能量调度方法，其特征在于：步骤(1)所述的计算两种储能单元的最大充放电功率包括以下过程：
(21)采集实时监测的功率Pd和超级电容器荷电状态SOCcap，通过模糊控制输出倍率的隶属函数，与根式惩罚系数f相乘后，再乘以锂电池最大倍率Cbat，max得到锂电池单元的充电倍率C*bat；其中，根式惩罚系数f为：



式中，SOCbat(k)、SOCbat，max和SOCbat，min分别为锂电池单元荷电状态的实时值、最小值和最大值；k为离散的时间序列。
(22)超级电容和锂电池的最大充电功率Pcap，ch，max、Pbat，ch，max表达式分别为：



式中，Vcap，rate为超级电容系统额定电压，Vcap，min为其运行中的最低电压，tuc为充电时间，Vbat，max为锂电池单元充电至指定荷电状态的电压，C*bat为锂电池单元充电倍率，Qbat为锂电池单元额定容量。


5.根据权利要求1所述的有轨电车混合储能系统能量调度方法，其特征在于：步骤(2)所述的采用低通滤波算法计算混合储能系统中两种储能单元各自的预分配能量，包括以下过程：
(31)车辆起停时的负荷波动能量优先由混合储能系统提供，即混合储能系统容量Ehess为：
Ehess＝ES-Egrid
式中，Egrid为牵引电站离线预测能量，由牵引电站的历史运行特性预测得到；
(32)根据列车起停的负荷能量曲线，采用低通滤波算...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉坤，丁鹏飞，孟高军，李建林，刘海涛，袁野，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32