團(tuán)隊(duì)介紹

陳亞愛

陳亞愛，北方工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，中國電源學(xué)會常務(wù)理事，中國電源學(xué)會信息系統(tǒng)供電技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員，中國電源學(xué)會直流電源專業(yè)委員會秘書長，中國電源學(xué)會變頻電源與電力傳動專業(yè)委員會委員，中國機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會電氣工程及其自動化學(xué)科教學(xué)委員會電力電子與電力傳動分委會委員，北方工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證負(fù)責(zé)人，北京市“新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)”高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)人，長期從事電力電子與電力傳動、新能源變換與控制技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用的研究。

研究領(lǐng)域主要包括分布式新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)系統(tǒng)、柔性直流輸電技術(shù)、儲能功率變流器控制技術(shù)。承擔(dān)多項(xiàng)國家、省部級課題和企業(yè)委托項(xiàng)目，第1作者或完成人發(fā)表學(xué)術(shù)論文76篇、教改論文23篇，授權(quán)發(fā)明專利6項(xiàng)，獲省部級科技進(jìn)步獎4項(xiàng)，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(dǎo)師，中國電源學(xué)會理事。北京市“新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)”高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，北京市科技新星，北京市中青年骨干教師，北京市優(yōu)秀人才，長期從事新能源變換與控制技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用的研究。

研究領(lǐng)域主要包括分布式新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)系統(tǒng)、新能源柔性直流輸電系統(tǒng)、儲能變流器控制技術(shù)。承擔(dān)多項(xiàng)國家、省部級課題和企業(yè)委托項(xiàng)目，第1作者或完成人發(fā)表學(xué)術(shù)論文70篇，授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)，獲省部級科技進(jìn)步獎5項(xiàng)，出版科研著作1部、教材3部、譯著3部。

導(dǎo)語

針對混合儲能系統(tǒng)的城軌列車采用閾值控制的雙閉環(huán)控制時，動態(tài)響應(yīng)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(tǒng)內(nèi)部能量循環(huán)，提出帶選擇性的濾波分配控制策略，抑制儲能系統(tǒng)內(nèi)部能量循環(huán)，以提高儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

項(xiàng)目研究背景

為回收城軌列車制動產(chǎn)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(tǒng)中需設(shè)置含超級電容和鋰離子電池的儲能裝置。但是采用傳統(tǒng)閾值控制時，電壓外環(huán)超調(diào)過大可能引起回饋能量吸收失敗；采用傳統(tǒng)濾波分配控制時，列車功率需求減小階段，混合儲能系統(tǒng)內(nèi)部會出現(xiàn)能量循環(huán)，導(dǎo)致儲能裝置容量利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性下降。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

采用傳統(tǒng)基于閾值控制的雙閉環(huán)控制會使系統(tǒng)母線電壓Udc產(chǎn)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(tǒng)有更快的母線電壓響應(yīng)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(dāng)母線電壓Udc快速升高時，Udc與U0比較后，將兩者誤差指數(shù)化后再進(jìn)行標(biāo)幺化，將該值作為電壓環(huán)比例輸出數(shù)值，其輸出結(jié)果為

控制策略如圖1所示。

圖1 改進(jìn)電壓外環(huán)控制框圖

城軌列車加速到最大值時會有一段依靠慣性運(yùn)行的時間，此時城軌列車不消耗能量，儲能系統(tǒng)的功率指令為零。采用傳統(tǒng)濾波分配控制時，鋰電池組會因?yàn)榻刂惯^程滯后的原因繼續(xù)向直流網(wǎng)供能，最后緩慢降至零；為保證儲能系統(tǒng)總輸出功率為零，超級電容對鋰電池釋放的能量進(jìn)行吸收，導(dǎo)致功率循環(huán)。

為解決該問題，提出改進(jìn)的濾波分配控制策略，其原理如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的功率分配策略控制框圖

圖2中，改進(jìn)的選擇性濾波分配控制策略對系統(tǒng)功率需求進(jìn)行判斷、分配：當(dāng)列車功率需求變大時，實(shí)際功率需求絕對值大于濾波功率，控制器遵循傳統(tǒng)濾波分配策略，此時混合儲能系統(tǒng)的功率指令值為

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

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提控制策略的優(yōu)越性，搭建額定功率為0.3kW實(shí)驗(yàn)平臺，其主電路拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 混合儲能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)

采用傳統(tǒng)控制策略時，母線電壓超調(diào)為0.7%，且存在儲能元件之間功率循環(huán)，母線電壓波形和儲能系統(tǒng)電流實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)控制策略實(shí)驗(yàn)波形

采用本文所提變增益比例積分和改進(jìn)的濾波分配控制策略后，系統(tǒng)超調(diào)降低為0.07%，且無儲能元件之間功率循環(huán)，實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型控制策略實(shí)驗(yàn)波形

結(jié)論

本文針對混合儲能城軌交通供電系統(tǒng)采用基于閾值控制的雙閉環(huán)和濾波分配控制策略時，在城軌列車制動暫態(tài)過程存在超調(diào)過大、惰行及制動過程存在儲能元件之間能量循環(huán)問題，提出變增益控制策略和改進(jìn)型功率分配控制策略，較之傳統(tǒng)控制策略，電壓外環(huán)動作時間更快，母線電壓超調(diào)量下降90%，抑制儲能系統(tǒng)內(nèi)部功率循環(huán)，提高了充電裕量，提升混合儲能系統(tǒng)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(yōu)化控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.