基于PI环调节放电阈值的城轨交通地面锂离子电池储能系统控制方法

摘要

本发明涉及城市轨道交通控制中的一种基于PI环调节放电阈值的城轨交通地面锂离子电池储能系统控制方法。该方法是首先计算获得网压实际放电阈值；当列车牵引时，牵引网网压跌落，当网压跌至放电阈值电压以下时，连接牵引网与锂电池储能系统的大功率DC/DC装置进入放电电压环，使锂电池储能系统放电将牵引网电压维持在放电阈值电压附近；当列车制动时，牵引网网压抬升，当网压升至充电阈值之上时，连接牵引网与锂电池储能系统的大功率DC/DC装置进入充电电压环，使锂电池储能系统充电将牵引网网压稳定在充电阈值附近。本发明解决了现有定阈值控制导致的SOC偏移问题，使锂电池储能系统工作在其功率最大点的SOC值附近。

说明书

技术领域

本发明涉及城市轨道交通节能技术，具体是一种基于PI环调节放电阈值的城轨交通地面锂离子电池储能系统控制方法。

背景技术

随着城轨交通的发展，其耗电量也快速增长，城轨列车的节能运行已变成一个亟待解决的问题。城轨列车一般采用交流电机驱动，当列车制动时，电机可以以发电机模式工作，将列车运动的机械能量转化为电能。这种制动方式称为再生制动。由于城轨牵引变电所采用不控整流的整流方式，再生制动产生的电能不能通过牵引变电所回送交流电网，所以现在大多数列车都采用电阻耗散掉这部分能量。电阻耗散式的再生能量吸收装置不仅增加了列车重量还会带来严重的散热问题。

高功率密度的电池能够满足城轨交通的应用需求，钛酸锂电池的出现使得锂离子电池应用于轨道交通领域成为可能。钛酸锂电池的能量密度低于常用的磷酸铁锂电池或三元锂电池，但其功率密度远远高于上述两者。并且钛酸锂电池循环寿命在满充满放的情况下一般也能达到1.5万次以上，应用于城轨交通领域中吸收列车再生制动能量时，列车制动并牵引一次引起的锂电池储能系统SOC变化一般在0.05以内。在这种充放电深度下工作的钛酸锂电池储能系统其循环寿命也能够达到使用年限要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于PI环调节放电阈值的城轨交通地面锂离子电池储能系统控制方法，解决现有的定阈值控制导致的SOC偏移问题，并且能够使锂电池储能系统工作在其功率最大点的SOC值附近。

本发明的基于PI环调节放电阈值的城轨交通地面锂离子电池储能系统控制方法为：

通过电压检测模块与电流检测模块将锂电池储能系统与牵引网的状态参数传输给运算与控制模块；运算与控制模块采用双卡尔曼滤波算法估算出锂电池储能系统当前的SOC值与等效直流内阻值，并根据等效直流内阻值计算出锂电池储能系统功率最大时的开路电压值；用该电压值与已知的锂电池储能系统SOC-OCV曲线比较得到功率最大时的SOC值；将该SOC值加上一个偏差量得到SOC参考值，该偏差量的取值为列车制动引起的SOC波动的一半，可在0.02～0.03之间取值；SOC参考值与双卡尔曼滤波算法得到的实际SOC值作比较得到SOC差值，将该差值进行PI调节得到放电阈值的修正量；将该修正量与原有放电阈值相加得到实际放电阈值；

当列车牵引时，牵引网网压跌落，当网压跌至放电阈值电压以下时，连接牵引网与锂电池储能系统的大功率DC/DC装置进入放电电压环，使锂电池储能系统放电将牵引网电压维持在放电阈值电压附近；

当列车制动时，牵引网网压抬升，当网压升至充电阈值之上时，连接牵引网与锂电池储能系统的大功率DC/DC装置进入充电电压环，使锂电池储能系统充电将牵引网网压稳定在充电阈值附近。

优选的，SOC控制环、充电电压环、放电电压环的参数由人机交互模块输入。

优选的，放电电压阈值的初始值以及充电电压阈值也由人机交互模块给定。

优选的，人机交互模块还显示所有指令值的回读值以确定指令值是否已有效赋值。

优选的，电池储能系统的管理系统(BMS)与运算与控制模块以can通信协议进行通信，运算与控制模块与人机交互模块以485通信方式进行通信，最终人机交互模块能够显示电池储能系统内部的参数。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：由于本发明采用了双扩展卡尔曼滤波器，使得对锂电池组的SOC估算精度更高，且能够对电池组等效内阻进行估算，从而得到电池组的SOH。由于采用了动态放电阈值控制策略，且由电池组等效内阻计算得到了最大功率点的SOC值，本方案可以控制电池组工作在最大功率点附近从而防止锂电池储能系统因SOC偏移导致的过充或过放并减小电池过载的危险。

附图说明

图1是城轨交通地面锂电池储能系统回收再生能量的结构框图；

图2是城轨交通地面锂电池储能系统吸收再生能量时的等效结构框图；

图3是城轨交通地面锂电池储能系统释放再生能量时的等效结构框图；

图4是控制系统结构框图；

图5是最大功率点SOC值计算流程图；

图6是SOC跟随控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步详述。

图1所示为城轨交通地面锂离子电池储能系统的接线图。由钛酸锂电池组成的储能系统通过双向DC/DC装置与直流母线连接，双向DC/DC装置有两个IGBT开关管K1和K2。

图1中列车制动时，图4中的电压采样模块检测到母线电压升高，当电压升高到由人机交互界面设置的充电电压阈值时，运算与控制单元发出PWM信号。此时开关管K2关闭，等效电路如图2所示，此时DC/DC处于BUCK模式，将列车制动的能量储存到电池储能系统里。PWM波产生的控制过程如图6所示，图4中的电压采样模块将母线电压信息传输到运算与控制单元，运算与控制单元将电压实际值与电池充电曲线进行比较得到电池电流的参考值。图4中的电流采样模块将电池的实际电流值发送给运算与控制模块，运算与控制模块将电流参考值与实际值做差并通过PI调节得到调制信号。该调制信号与三角载波比较得到控制IGBT开关管的PWM波。

图1中列车牵引时，图4中电压采样模块检测到母线电压降低，当电压降低到放电电压阈值时运算与控制单元发出PWM信号。此时开关管K1关闭，等效电路如图3所示，此时双向DC/DC处于BOOST模式，将电池储能系统内储存的能量释放出来稳定电压。母线电压放电阈值的产生如图5所示。图4中的电压与电流采样模块将电池储能系统的电压与电流数据发送给运算与控制单元。运算与控制单元采用双扩展卡尔曼滤波法对电池储能系统的SOC与等效直流内阻进行联合估算。在通过估算出的等效直流内阻计算电池储能系统功率最大点的开路电压值。将该开路电压值与已知的开路电压与SOC关系曲线作对比，得到功率最大点的SOC值。由于锂电池的功率在SOC超过最大功率点之后会迅速下降，所以需要留出一定裕量防止SOC超过最大功率点。此裕量可为列车再生制动能量的一半所对应的SOC值。将由运算与控制单元计算得到的最大功率点SOC值减去裕量得到最终的SOC参考值。如图6所示将该参考值与图5中双扩展卡尔曼滤波算法得到的SOC实际值做差并经PI调节器调节成一个放电阈值的修正量，将该修正量与初始放点下线值相加得到当前SOC值下电池储能系统的放电阈值。该放电阈值与母线电压实际值作差并经PI调解得到控制PWM的调制波，最后与三角载波比较得到控制IGBT开关管的PWM波。