一种基于模糊控制的电气化铁路储能系统能量管理方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于模糊控制的电气化铁路储能系统能量管理方法，该方法以双层模糊控制系统为核心，上层模糊控制系统根据外界功率以及储能介质剩余寿命调整放电阈值，下层模糊控制系统根据储能介质荷电状态、外界功率分配功率，同时采用雨流技术法提取充放电深度，通过四阶拟合寿命曲线计算等效寿命损失，并反馈到上层模糊控制系统的输入端，该发明专利技术在降低牵引网冲击功率的同时能有效延长储能系统使用寿命。用寿命。用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊控制的电气化铁路储能系统能量管理方法


[0001]本专利技术属于电气化铁路
，尤其涉及一种电气化铁路混合式储能系统的能量管理方法。

技术介绍

[0002]随着全国铁路网络运营里程的持续扩大以及铁路电气化率持续提升，牵引供电系统的用能电费已成为铁路运营单位的主要开销之一，如何降低牵引供电系统能耗、提升能源利用效率成为亟待解决的问题，而储能技术的出现提供了新的技术思路。当前储能系统通常采取单一储能介质(如电池、电容、飞轮等)，但单一储能介质难以同时兼顾高功率密度、高能量密度、长使用寿命、低购置成本的工程要求，而混合储能系统将不同的储能介质进行组合，从而兼顾功率密度、能量密度及使用寿命等特性。另一方面，能量管理系统是控制储能系统的控制核心，需要在不同工况下实现储能系统与牵引供电系统的能量交互，吸收或释放列车的再生制动能量，相较于单一储能介质的储能系统，混合储能系统需要实现多个储能系统协同高效运行，其控制策略的优劣直接关系到能量利用效率以及储能系统的使用寿命。因此如何设计简单有效的混合储能系统能量管理策略对于提升能量利用效率、延长储能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊控制的电气化铁路储能系统能量管理方法，特征在于：该方法首先对牵引功率进行平滑处理，并以功率差的形式和储能系统剩余寿命共同作为上层模糊控制系统的输入，经过模糊处理后输出阈值调整参数，通过阈值参数实时调整混合储能系统的放电阈值，再将功率差、各储能系统的荷电状态、以及放电阈值输入到下层模糊控制系统，下层系统则输出功率分配权重参数，通过该参数计算分配功率，之后再利用雨流计数法提取每一个采样周期的储能介质放电深度与频率，并计算每一次放电的寿命损耗，再反馈到上层模糊控制系统，从而实现实时控制；所述的电气化铁路地面混合式储能系统，其特征在于，所述牵引供电系统采用单相交流工频供电制式，地面混合式储能系统与牵引变电所两侧供电臂的接触线与钢轨连接，通过单相降压变压器后接入LCL型滤波器，再接入铁路功率调节器装置，从铁路功率调节器的直流母线引出馈线，与储能系统直流母线连接，再分别引出两路馈线，分别接入半桥型DC/DC变换器，最后与高功率储能子系统与大容量储能子系统连接；所述的功率差即牵引功率的有功部分与储能系统功率的差值，其特征在于：利用牵引网测得的电压、电流及功率因数角，计算牵引功率的有功部分，再与混合储能系统的高能量密度储能子系统的最大输出功率进行作差，得到功率输入差值；设牵引网电压为U
c
(t)，牵引网电流为I
c
(t)，功率因数角为高能量储能子系统功率为P
ESS_en
，则功率差值为P
d
(t)如下：所述的平滑处理过程即采用一阶滤波算法，对功率差进行平滑处理，设采样间隔为Δt，时间常数为τ，则平滑后的输入功率差P
in
(t)如下：所述的储能系统剩余寿命，其特征在于：通过提取每一次放电深度，将不同放电深度下的寿命损失折算到100％放电深度下的寿命损失，从而得到等效的循环寿命，储能系统剩余寿命的范围为[0,1]，当寿命为1时表示寿命没有损失，当寿命为0时表示储能介质已达最大使用寿命，设不同放电深度下的额定放电次数为N
pls
(DOD(t))，100％放电深度下的额定放电次数为N
pls
(DOD
100％
)，则储能系统剩余寿命L可表示为：所述的上层模糊控制系统由模糊化、模糊推理、反模糊化三部分组成，模糊化即把输入功率差从物理论域投影到模糊论域，模糊推理即根据模糊规则，对模糊量进行模糊运算，反模糊化即根据模糊推理的结果，将输出的模糊量从模糊论域投影到物理论域；所述的上层模糊控制系统的模糊量包括输入模糊量和输出模糊量两部分，其中输入模糊量包括寿命模糊量和功率差模糊量，输出模糊量为阈值调整权重模糊量，各模糊量的隶属函数均选用三角隶属函数，其中针对寿命模糊量选取{S,M,B}三个模糊子集进行描述，针对功率差模糊量选取{SS,S,M,B,BB}五个模糊子集进行描述，针对阈值调整权重模糊量选取{SS,S,M,B,BB}五个模糊子集进行描述；
所述的上层模糊控制系统的模糊化的过程，其特征在于：将输入功率差值投影到[0,1]区间，如果超出上界或下界则分别取1或0，设储能系统放电阈值为P
thr
，则上层功率差的模糊量P
up
可以表示为：为：所述的上层模糊控制系统的模糊推理部分包括模糊推理方法和模糊规则设计两部分，模糊推理方法采用经典模糊控制中的if
‑
then双输入单输出结构，即满足条两个条件，则执行一个输出任务，设规则的总条数为x，功率差模糊值的条件为D
l
，寿命模糊值的条件为E
l
，阈值调整权重模糊量U的条件为G
l
，则第l条规则可以表示为：所述的上层模糊控制系统的模糊规则设计即完成所有规则下的if
‑
then结构的输入输出对应关系，将所有规则总结为表格，如下所示：表1上层模糊控制系统模糊规则表所述的模糊推理过程，即按照模糊计算法则进行推理计算，设
“○”
为模糊关系算子，
“×”
为笛卡尔乘积，则上层输出U可以表示为：所述的上层模糊控制系统的反模糊化过程，其特征在于：采用重心法进行反模糊化操作，设输出阈值调整权重模糊量U的隶属函数为μ
U
(U
i
)，则经过反模糊化后的阈值调整权重U
avr
为：所述的调整放电阈值是在阈值基础值上，根据阈值调整权重U
avr
的大小实时控制变化范围来实现阈值的动态调节，设放电基础阈值为P
base
，阈值动态调整范围为P
range
，则实时动态阈值P
thu
(t)可以表示为：
P
thu
(t)＝P
base
+U
avr
(t)P
range (8)所述的下层模糊控制系统由模糊化、模糊推理、反模糊化三部分组成，所述的下层模糊控制系统的模糊量包括输入模糊量和输出模糊量两部分，其特征在于：其中输入模糊量包括功率差模糊量、各储能介质荷电状态模糊量，输出模糊量为功率权重模糊量，各模糊量的隶属函数均选用三角隶属函数，其中针对功率差模糊量选取{NB,NM,NS,ZO,PS,PB,PB}七个模糊子集进行描述，针对各储能介质荷电状态模糊量选取{SS,S,M,B,BB}五个模糊子集进行描述，针对功率权重模糊量选取{SS,S,M,B,BB}五个模糊子集进行描述；所述的下层模糊控制系统的功率差模糊化过程，其特征在于：将输入功率差值投影到[
‑
3,3]区间，如果超出上界或下界则分别取3或
‑
1，设储能系统放电阈值为P
thr
，则下层功率差的模糊量P
down
可以表示为：所述的储能介质荷电状态采用安时积分法进行计算，设该储能介质的额定电量为Q
R
，储能介质的充放电电流为I
ESM
，放电符号为正，充电符号为负，则(t+1)时刻的荷电状态SOC(t+1)可以表示为：所述的下层模糊控制系统的荷电状态模糊化过程，其特征在于：设荷电状态的上限为SOC
up
，荷电状态下限为SOC
down
，则荷电状态模糊量S可表示为...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗嘉明，高仕斌，韦晓广，张敬凯，雷杰宇，何宗伦，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：