城轨超级电容储能系统分层控制与容量配置优化研究

城轨超级电容储能系统分层控制与容量配置优化研究

随着社会经济的快速发展,城轨交通在城市中的普及率大幅提高,城轨系统的耗电量也在不断增加,其节能问题已受到社会各界的广泛关注。应用超级电容储能系统回收列车的再生制动能量,可有效的降低列车运行能耗,提高节能率。

本文围绕城轨交通超级电容储能系统的应用,针对储能变流器控制技术、储能系统能量管理技术和容量配置三方面开展理论研究,并通过仿真和实验对提出的研究点进行验证。列车的再生制动随机性和冲击性较强,储能装置在回收制动能量过程中,存在较大的间歇性;超级电容在充电和放电过程中,端电压与荷电状态耦合。

这都能造成系统稳态工作点的大范围变化,从而影响了系统的动态性能。本文首先建立了包括超级电容、储能变流器和列车在内的储能装置小信号模型,描述了列车电流和变流器占空比对系统动态性能的影响。

基于电压、电流双环控制策略,本文提出了一种电压外环PI参数优化方法,以系统跟随性能和抗扰性能作为目标函数,优化得到每个稳态工作点所对应的最优控制参数,优化结果利用最小二乘法进行多项式函数拟合。所提出方法的有效性通过了理论和仿真的验证。

储能装置运行时,能量的回收和释放受到列车和整流机组的影响。采用恒定电压阈值法控制储能装置时,控制指令无法根据牵引供电系统的工况自适应的调整,系统的能量回收能力下降。

本文在分析了列车制动特性的基础上,分别基于单列车制动和双车牵引制动工况,建立了包括储能装置、列车和整流机组的牵引供电系统模型,分析了储能装置能量回收影响因素。提出了储能装置制动电压跟随充电控制策略,实现再生制

动能量回收的最大化。

其次,分析了整流机组输出特性变化对储能装置放电能力的影响,并在综合考虑牵引网和超级电容能量管理的基础上,提出了储能装置能量管理状态机,实现了逻辑清晰、工作可靠的能量管理策略。城轨储能系统中超级电容的容量配置影响了储能装置的成本、寿命和再生制动能量回收率。

本文基于超级电容热-电等效模型和三变量寿命模型,研究了超级电容在恒功率和恒电流这两种典型工况下,配置容量、SOC(State of Charge)范围和电流限幅对超级电容效率、温升和寿命的影响。为了模拟储能装置在城轨系统中的运行特性,本文搭建了城轨牵引供电仿真平台。

在考虑超级电容寿命和储能装置成本等条件下,提出了储能装置全寿命周期经济效益优化模型,并给出了容量配置优化算法流程。最后结合实例对优化结果进行了分析。

为了验证本文的研究点,本文先后搭建了 200kW和MW级超级电容储能装置,用于实验室和实际地铁线路实验。其中,在200kW和MW级装置上完成了储能变流器控制策略优化验证和能量管理策略验证;此外,还对MW级储能装置的实际线路运行数据进行了再生制动能量回收率分析。

实验结果证明了本文所提出的方法的可行性和有效性。