團隊介紹

陳亞愛

陳亞愛，北方工業大學教授，碩士生導師，中國電源學會常務理事，中國電源學會信息系統供電技術專業委員會副主任委員，中國電源學會直流電源專業委員會秘書長，中國電源學會變頻電源與電力傳動專業委員會委員，中國機械工業教育協會電氣工程及其自動化學科教學委員會電力電子與電力傳動分委會委員，北方工業大學電氣工程及其自動化專業工程教育專業認證負責人，北京市“新能源發電與智能電網”高水平創新團隊主要負責人，長期從事電力電子與電力傳動、新能源變換與控制技術及其工業應用的研究。

研究領域主要包括分布式新能源發電與智能微電網系統、柔性直流輸電技術、儲能功率變流器控制技術。承擔多項國家、省部級課題和企業委托項目，第1作者或完成人發表學術論文76篇、教改論文23篇，授權發明專利6項，獲省部級科技進步獎4項，出版科研著作2部、教材10部，其中兩部獲北京市精品教材，譯著3部。

周京華

周京華，教授，博士生導師，中國電源學會理事。北京市“新能源發電與智能電網”高水平創新團隊負責人，北京市科技新星，北京市中青年骨干教師，北京市優秀人才，長期從事新能源變換與控制技術及其工業應用的研究。

研究領域主要包括分布式新能源發電與智能微電網系統、新能源柔性直流輸電系統、儲能變流器控制技術。承擔多項國家、省部級課題和企業委托項目，第1作者或完成人發表學術論文70篇，授權發明專利11項，獲省部級科技進步獎5項，出版科研著作1部、教材3部、譯著3部。

導語

針對混合儲能系統的城軌列車采用閾值控制的雙閉環控制時，動態響應速度慢的問題，提出以空載母線電壓為參考的變增益比例控制策略；為抑制儲能系統內部能量循環，提出帶選擇性的濾波分配控制策略，抑制儲能系統內部能量循環，以提高儲能系統經濟性。

項目研究背景

為回收城軌列車制動產生的能量，并同時滿足回饋功率密度和能量密度兩方面要求，城軌牽引供電系統中需設置含超級電容和鋰離子電池的儲能裝置。但是采用傳統閾值控制時，電壓外環超調過大可能引起回饋能量吸收失敗；采用傳統濾波分配控制時，列車功率需求減小階段，混合儲能系統內部會出現能量循環，導致儲能裝置容量利用率和系統經濟性下降。

論文方法及創新點

采用傳統基于閾值控制的雙閉環控制會使系統母線電壓Udc產生波動，Udc過高可致使回饋能量吸收失敗、過低可致使耗能增加，這就需要混合儲能系統有更快的母線電壓響應速度。

為解決上述問題，提出以牽引變電站直流母線空載電壓U0為參考基值的變增益比例控制策略，當母線電壓Udc快速升高時，Udc與U0比較后，將兩者誤差指數化后再進行標幺化，將該值作為電壓環比例輸出數值，其輸出結果為

控制策略如圖1所示。

圖1 改進電壓外環控制框圖

城軌列車加速到最大值時會有一段依靠慣性運行的時間，此時城軌列車不消耗能量，儲能系統的功率指令為零。采用傳統濾波分配控制時，鋰電池組會因為截止過程滯后的原因繼續向直流網供能，最后緩慢降至零；為保證儲能系統總輸出功率為零，超級電容對鋰電池釋放的能量進行吸收，導致功率循環。

為解決該問題，提出改進的濾波分配控制策略，其原理如圖2所示。

圖2 改進的功率分配策略控制框圖

圖2中，改進的選擇性濾波分配控制策略對系統功率需求進行判斷、分配：當列車功率需求變大時，實際功率需求絕對值大于濾波功率，控制器遵循傳統濾波分配策略，此時混合儲能系統的功率指令值為

而當列車需求功率減小時，實際功率需求絕對值小于等于濾波功率，此時實際需求功率全部由鋰離子電池組承擔，超級電容功率指令值為零。此時混合儲能系統的功率指令值為

為進一步驗證所提控制策略的優越性，搭建額定功率為0.3kW實驗平臺，其主電路拓撲如圖3所示。

圖3 混合儲能系統實驗平臺結構

采用傳統控制策略時，母線電壓超調為0.7%，且存在儲能元件之間功率循環，母線電壓波形和儲能系統電流實驗波形如圖4所示。

圖4 傳統控制策略實驗波形

采用本文所提變增益比例積分和改進的濾波分配控制策略后，系統超調降低為0.07%，且無儲能元件之間功率循環，實驗波形如圖5所示。

圖5 改進型控制策略實驗波形

結論

本文針對混合儲能城軌交通供電系統采用基于閾值控制的雙閉環和濾波分配控制策略時，在城軌列車制動暫態過程存在超調過大、惰行及制動過程存在儲能元件之間能量循環問題，提出變增益控制策略和改進型功率分配控制策略，較之傳統控制策略，電壓外環動作時間更快，母線電壓超調量下降90%，抑制儲能系統內部功率循環，提高了充電裕量，提升混合儲能系統的回饋功率吸收能力，延長儲能元件使用壽命。

引用本文

陳亞愛, 林演康, 王賽, 周京華. 基于濾波分配法的混合儲能優化控制策略[J]. 電工技術學報, 2020, 35(19): 4009-4018. Chen Yaai, Lin Yankang, Wang Sai, Zhou Jinghua. Optimal Control Strategy of Hybrid Energy Storage Based on Filter Allocation Method. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(19): 4009-4018.