一种用于有轨电车混合储能系统的能量控制方法与流程

本发明涉及电力系统储能技术领域，尤其涉及一种用于有轨电车混合储能系统的能量控制方法。

背景技术：

近年来，有轨电车发展迅猛，给人们的出行带来了很大的方便。但是有轨电车频繁的启动与制动状态会导致牵引电压的起伏，不利于列车的安全运行，还会严重影响供电质量。

应用于有轨电车的储能设施有很多，可分为两种类型：能量类型和功率类型。蓄电池的能量密度比较大，可以满足系统对于高能量的要求，但是其内部进行的是电化学反应，故功率密度较低、响应速度较慢。超级电容器内部进行的是物理变化，功率密度大、响应速度快，但其能量密度比较低。单一的储能元件无法同时满足系统对于高功率和高能量的需求。

锂电池和超级电容器混合储能方案开始出现，用以稳定输出功率，降低并网功率波动性，进而维持有轨电车的安全稳定运行。但是，该方案存在的问题是无法合理分配锂电池和超级电容器的储能系统功率，导致了储能系统易出现过充过放的问题，引发了储能设备折损，降低了储能设备使用寿命，甚至引发储能设备故障，降低储能设备的经济性和安全性，进而危害有轨电车供应的稳定性，安全性。

综上所述，针对储能系统的过充过放的问题，当前缺少针对混合储能方案有效的功率分配方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种用于有轨电车混合储能系统的能量控制方法，避免锂电池和超级电容器组成的混合储能系统过充过放，同时发挥了超级电容器和锂电池各自的优势特点，满足列车对系统储能的要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于有轨电车混合储能系统的能量控制方法，所述能量控制方法包括：

有轨电车的控制器根据接收到的上电信号获取与所述控制器连接的超级电容器和锂电池的状态信息，根据所述超级电容器的状态信息判断所述超级电容器的状态是否正常，根据所述锂电池的状态信息判断所述锂电池的状态是否正常；

当所述超级电容器和锂电池的状态均为正常时，所述控制器生成第一闭合指令，用以控制第一接触器、第二接触器依次闭合，使得超级电容器对变换器的预充电电容进行充电，并同时对有轨电车的负载供电；所述预充电电容充电完成后，所述变换器生成第一反馈信号；所述控制器根据所述第一反馈信号生成第二闭合指令，用以控制第三接触器、第四接触器依次闭合；当监测到所述第四接触器闭合后，所述控制器生成第一开启指令，用以控制所述第二接触器断开，使超级电容器和锂电池共同对有轨电车的负载供电；当监测到所述第二接触器断开后，所述控制器生成初始化完成信号；

所述变换器的处理单元根据所述初始化完成信号获取超级电容器两端的第一电流数据、超级电容器两端的第一电压数据、变换器侧的第二电流数据，并根据所述第一电流数据、第一电压数据、第二电流数据确定所述超级电容器和锂电池的实际输出功率或者实际吸收能量，或者控制所述变换器停止工作。

优选的，所述变换器的处理单元根据所述初始化完成信号获取超级电容器两端的第一电流数据、超级电容器两端的第一电压数据、变换器侧的第二电流数据，并根据所述第一电流数据、第一电压数据、第二电流数据确定所述超级电容器和锂电池的实际输出功率或者实际吸收能量，或者控制所述变换器停止工作具体包括：

当第一电流数据的电流方向为第一方向时，所述处理单元根据所述第一电流数据、第二电流数据和第一电压数据计算得到总目标功率；

所述处理单元获取预设的能量管理对照表，根据所述超级电容器的状态信息、锂电池的状态信息和总目标功率在所述能量管理对照表中查找并确定锂电池的输出功率占比，根据所述输出功率占比和总目标功率计算得到锂电池的第一目标功率；

所述处理单元根据所述第一目标功率和第一电压数据确定第一设定电流参数，用以根据所述第一设定电流参数调整所述变换器，从而调整超级电容器和锂电池的实际输出功率。

进一步优选的，所述状态信息包括荷电状态；所述处理单元获取预设的能量管理对照表，根据所述超级电容器的状态信息、锂电池的状态信息和总目标功率在所述能量管理对照表中查找并确定锂电池的输出功率占比具体包括：

当所述总目标功率大于第一预设功率阈值时，所述处理单元判断超级电容器的荷电状态是否大于第一预设荷电阈值；

当超级电容器的荷电状态大于第一预设荷电阈值时，所述处理单元确定锂电池的输出功率占比为第一预设比例；

当所述超级电容器的荷电状态小于等于第一预设荷电阈值时，所述处理单元获取锂电池的最大预设功率，并根据所述总目标功率和锂电池的最大预设功率确定锂电池的输出功率占比为第二预设比例；所述第一预设荷电阈值大于第二预设荷电阈值。

进一步优选的，当所述总目标功率小于等于第一预设功率阈值并且大于第二预设功率阈值时，所述处理单元判断超级电容器的荷电状态是否大于第一预设荷电阈值；

当超级电容器的荷电状态大于第一预设荷电阈值时，所述处理单元确定锂电池的输出功率占比为第一预设比例；

当所述超级电容器的荷电状态小于等于第一预设荷电阈值时，所述处理单元判断超级电容器的荷电状态是否大于第二预设荷电阈值；当所述超级电容器的荷电状态大于第二预设荷电阈值时，所述处理单元确定锂电池的输出功率占比为第三预设比例；

当所述超级电容器的荷电状态小于等于第一预设荷电阈值时，所述处理单元确定锂电池的输出功率占比为第二预设比例。

进一步优选的，当所述总目标功率小于等于第二预设功率阈值时，所述处理单元确定锂电池的输出功率占比为第三预设比例。

优选的，所述变换器的处理单元根据所述初始化完成信号获取超级电容器两端的第一电流数据、超级电容器两端的第一电压数据、变换器侧的第二电流数据，并根据所述第一电流数据、第一电压数据、第二电流数据确定所述超级电容器和锂电池的实际输出功率或者实际吸收能量，或者控制所述变换器停止工作具体包括：

当第一电流数据的电流方向为第二方向时，所述处理单元根据所述第一电流数据、第二电流数据和第一电压数据计算得到总制动目标能量；

所述处理单元获取预设的能量管理对照表，根据所述超级电容器的状态信息、锂电池的状态信息和总制动目标能量在所述能量管理对照表中查找并确定锂电池的吸收能量占比，根据所述吸收能量占比和总制动目标能量计算得到锂电池的第一目标能量；

所述处理单元根据所述第一目标能量和第一压力数据确定第二设定电流参数，用以根据所述第二设定电流参数调整所述变换器，从而调整超级电容器和锂电池的实际吸收能量。

进一步优选的，所述处理单元获取预设的能量管理对照表，根据所述超级电容器的状态信息、锂电池的状态信息和总制动目标能量在所述能量管理对照表中查找并确定锂电池的吸收能量占比具体包括：

所述处理单元判断超级电容器的荷电状态是否大于第一预设荷电阈值；

当超级电容器的荷电状态大于第一预设荷电阈值时，所述处理单元确定锂电池的输出功率占比为第一预设比例；

当所述超级电容器的荷电状态小于等于第一预设荷电阈值时，所述处理单元获取锂电池的最大预设吸收能量，并根据所述总制动目标能量和锂电池的最大预设吸收能量确定锂电池的吸收能量占比为第四预设比例。

优选的，所述变换器的处理单元根据所述初始化完成信号获取超级电容器两端的第一电流数据、超级电容器两端的第一电压数据、变换器侧的第二电流数据，并根据所述第一电流数据、第一电压数据、第二电流数据确定所述超级电容器和锂电池的实际输出功率或者实际吸收能量，或者控制所述变换器停止工作具体包括：

当第一电流数据的数值等于0时，所述处理单元生成关闭指令，用以控制所述变换器停止工作。

优选的，当所述控制器接收到停车控制信号时，所述控制器生成第二开启指令，用以控制所述第一接触器、第四接触器、第三接触器依次断开；所述控制器根据所述第一接触器、第四接触器、第三接触器的断开信号生成停车控制反馈信号。

本发明实施例提供的用于有轨电车混合储能系统的能量控制方法，有效避免锂电池和超级电容器组成的混合储能系统过充过放，延长使用寿命，充分利用混合储能系统的物理特性，保证在满足输出功率波动限制的同时使超级电容器和锂电池的荷电状态在合理范围内。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于有轨电车混合储能系统的电气原理图；

图2为本发明实施例提供的变换器的升压模式示意图；

图3为本发明实施例提供的变换器的降压模式示意图；

图4为本发明实施例提供的用于有轨电车混合储能系统的能量控制方法的流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供的用于有轨电车混合储能系统的能量控制方法，有效避免锂电池和超级电容器组成的混合储能系统过充过放，延长使用寿命，充分利用混合储能系统的物理特性，保证在满足输出功率波动限制的同时使超级电容器和锂电池的荷电状态在合理范围内。

图1为本发明实施例提供的用于有轨电车混合储能系统的电气原理图，如图1所示，锂电池经过变换器与超级电容器并联，作为有轨电车的混合储能系统。km1、km2、km3、km4分别表示第一接触器、第二接触器、第三接触器、第四接触器。牵引变流器与有轨电车的各个负载连接。

其中，变换器优选为双向直流变换器。变换器的输入电压、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。调换变换器的输入端口和输出端口仍然可以完成电压变换功能，功率可以从输入端流向输出端，也可以从输出端流向输入端。本发明实施例中的变换器存在3种工作模式：升压模式、降压模式和待机模式。图2为本发明实施例提供的变换器的升压模式示意图。图3为本发明实施例提供的变换器的降压模式示意图。变换器处于待机模式时，不工作。

图4为本发明实施例提供的用于有轨电车混合储能系统的能量控制方法的流程图，以下结合图4对本发明技术方案进行详述。

步骤101，有轨电车的控制器根据接收到的上电信号获取与控制器连接的超级电容器和锂电池的状态信息；

具体的，状态信息是根据锂电池或者超级电容器自身的各项参数综合判断得到的一个用于表示正常或异常的信息，而上述的各项参数包括：荷电状态、放电深度、健康状态、功能状态、能量状态、故障及安全状态等，具体的判断标准可以根据用户的需求进行调整。

步骤102，根据超级电容器的状态信息判断超级电容器的状态是否正常；根据锂电池的状态信息判断锂电池的状态是否正常；

具体的，在本发明中主要考虑锂电池和超级电容器分配的问题，其他情况如下简要说明。当超级电容器的状态为正常，锂电池的状态为异常时，控制器控制锂电池停止工作，超级电容器输出功率或者吸收能量，保证列车供电安全。当超级电容器的状态为异常，锂电池的状态为正常时，控制器控制锂电池输出功率或者吸收能量，超级电容器停止工作，保证列车供电安全。当超级电容器的状态和锂电池的状态均为异常时，控制器控制锂电池和超级电容器停止工作。

也就是说，当锂电池和超级电容器均正常时，控制器根据工况以及预设功率比进行锂电池和超级电容器输出功率或者吸收能量的分配。当锂电池和超级电容器中任意一个异常时，锂电池和超级电容器互为冗余储能设备，输出功率或者吸收能量。

步骤103，当超级电容器和锂电池的状态均为正常时，控制器生成第一闭合指令，用以控制第一接触器、第二接触器依次闭合，使得超级电容器对变换器的预充电电容进行充电，并同时对有轨电车的负载供电；

具体的，混合储能系统需要输出功率或者吸收能量时，先由超级电容器满足其需求，使得有轨电车的混合储能系统响应更快。第二接触器优选的串联一个限流电阻，防止超级电容器对预充电电容充电时电流过大，缩短变换器的使用寿命。

步骤104，预充电电容充电完成后，变换器生成第一反馈信号；

具体的，预充电电容充电完成，表示变换器可以进行工作。也就是说，可以进一步将锂电池接入电路。

步骤105，控制器根据第一反馈信号生成第二闭合指令，用以控制第三接触器、第四接触器依次闭合；

具体的，第三接触器、第四接触器依次闭合后，混合储能系统将锂电池接入电路。

步骤106，当监测到第四接触器闭合后，控制器生成第一开启指令，用以控制第二接触器断开，使超级电容器和锂电池共同对有轨电车的负载供电；

步骤107，当监测到第二接触器断开后，控制器生成初始化完成信号；

具体的，步骤101-107是有轨电车根据上电信号的初始化过程，初始化完成后，变换器的处理单元根据锂电池和超级电容器的状态信息以及有轨电车的工况对锂电池和超级电容器进行输出功率或者吸收能量的分配。

步骤108，变换器的处理单元根据初始化完成信号获取超级电容器两端的第一电流数据、超级电容器两端的第一电压数据、变换器侧的第二电流数据，并根据第一电流数据、第一电压数据、第二电流数据确定超级电容器和锂电池的实际输出功率或者实际吸收能量，或者控制变换器停止工作。

具体的，在本发明实施例中，规定图2中的电流方向为第一方向，第一方向表示混合储能系统处于放电状态；规定图3中的电流方向为第二方向，第二方向表示混合储能系统处于充电状态。

当第一电流数据的电流方向为第一方向时，处理单元根据第一电流数据、第二电流数据和第一电压数据计算得到总目标功率。处理单元获取预设的能量管理对照表，根据超级电容器的状态信息、锂电池的状态信息和总目标功率在能量管理对照表中查找并确定锂电池的输出功率占比，根据输出功率占比和总目标功率计算得到锂电池的第一目标功率。处理单元根据第一目标功率和第一电压数据确定第一设定电流参数，用以根据第一设定电流参数调整变换器，从而调整超级电容器和锂电池的实际输出功率。

其中，总目标功率可以理解为有轨电车需要的牵引功率。锂电池的第一目标功率可以理解为通过分配，锂电池需要输出的功率。能量管理对照表如表1所示：

表1

表1中p为总目标功率或者总制动能量，ps为超级电容器的输出功率或者吸收能量，pb为锂电池的输出功率或者吸收能量，pbmax为锂电池的最大输出功率或者最大吸收能量。

以下结合表1，对本发明中根据超级电容器的状态信息、锂电池的状态信息和总目标功率在能量管理对照表中查找并确定锂电池的输出功率占比进行具体解释说明。

当总目标功率大于第一预设功率阈值时，有轨电车处于加速状态，处理单元判断超级电容器的荷电状态是否大于第一预设荷电阈值。当超级电容器的荷电状态大于第一预设荷电阈值时，处理单元确定锂电池的输出功率占比为第一预设比例。当超级电容器的荷电状态小于等于第一预设荷电阈值时，处理单元获取锂电池的最大预设功率，并根据总目标功率和锂电池的最大预设功率确定锂电池的输出功率占比为第二预设比例；第一预设荷电阈值大于第二预设荷电阈值。

当总目标功率小于等于第一预设功率阈值并且大于第二预设功率阈值时，有轨电车处于匀速状态，处理单元判断超级电容器的荷电状态是否大于第一预设荷电阈值。当超级电容器的荷电状态大于第一预设荷电阈值时，处理单元确定锂电池的输出功率占比为第一预设比例。当超级电容器的荷电状态小于等于第一预设荷电阈值时，处理单元判断超级电容器的荷电状态是否大于第二预设荷电阈值。当超级电容器的荷电状态大于第二预设荷电阈值时，处理单元确定锂电池的输出功率占比为第三预设比例。当超级电容器的荷电状态小于等于第一预设荷电阈值时，处理单元确定锂电池的输出功率占比为第二预设比例。

当总目标功率小于等于第二预设功率阈值时，有轨电车处于惰性状态，处理单元确定锂电池的输出功率占比为第三预设比例。

当第一电流数据的电流方向为第二方向时，有轨电车处于制动状态，处理单元根据第一电流数据、第二电流数据和第一电压数据计算得到总制动目标能量。处理单元获取预设的能量管理对照表，根据超级电容器的状态信息、锂电池的状态信息和总制动目标能量在能量管理对照表中查找并确定锂电池的吸收能量占比，根据吸收能量占比和总制动目标能量计算得到锂电池的第一目标能量。处理单元根据第一目标能量和第一压力数据确定第二设定电流参数，用以根据第二设定电流参数调整变换器，从而调整超级电容器和锂电池的实际吸收能量。

其中，总目标能量可以理解为有轨电车需要的吸收的能量。锂电池的第一目标功率可以理解为通过分配，锂电池需要吸收的能量。

以下结合表1，对本发明中根据超级电容器的状态信息、锂电池的状态信息和总制动目标能量在能量管理对照表中查找并确定锂电池的吸收能量占比进行具体解释说明。

处理单元判断超级电容器的荷电状态是否大于第一预设荷电阈值。当超级电容器的荷电状态大于第一预设荷电阈值时，处理单元确定锂电池的输出功率占比为第一预设比例。当超级电容器的荷电状态小于等于第一预设荷电阈值时，处理单元获取锂电池的最大预设吸收能量，并根据总制动目标能量和锂电池的最大预设吸收能量确定锂电池的吸收能量占比为第四预设比例。

当第一电流数据的数值等于0时，表示混合储能系统没有进行能量交换，处理单元生成关闭指令，用以控制变换器停止工作。进一步的，处理单元判断第二电流数据是否等于0，通过第二电流数据等于0可以进一步确定混合储能系统没有进行能量交换。

为保护有轨电车的混合储能系统，根据超级电容器和锂电池的特性，停车时先断开超级电容器与负载的连接，再断开锂电池与负载的连接。具体为：当控制器接收到停车控制信号时，控制器生成第二开启指令，用以控制第一接触器、第四接触器、第三接触器依次断开。控制器根据第一接触器、第四接触器、第三接触器的断开信号生成停车控制反馈信号，用以提示有轨电车完成停车。

本发明的用于有轨电车混合储能系统的能量控制方法，有效避免锂电池和超级电容器组成的混合储能系统过充过放，延长使用寿命，充分利用混合储能系统的物理特性，保证在满足输出功率波动限制的同时使超级电容器和锂电池的荷电状态在合理范围内。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。