适用于潮流仿真计算的储能型再生能量吸收装置模拟方法与流程

1.本发明属于轨道交通供电系统潮流仿真计算领域，特别涉及一种适用于潮流仿真计算的储能型再生能量吸收装置模拟方法。


背景技术：

2.目前城市轨道交通供电系统大多采用整流机组，将电能从三相交流电转换为直流电给列车供电。由于整流机组的二极管整流电路只能单向流动能量，因此列车在频繁制动时产生的大量再生制动能量将无法通过整流机组返回至供电系统上级交流网络。若列车产生的再生制动能量无法被相邻列车吸收，将被消耗在制动电阻或制动闸瓦上，造成能量浪费并导致隧道温升。
3.为解决上述问题，可以在城市轨道交通直流供电网（例如在牵引变电所直流母线、列车等位置）安装储能型再生能量吸收装置。如图1所示，储能型再生能量吸收装置一般包括储能元件、变换器、电压传感器、电流传感器、储能量百分比传感器等主要组成部分。储能元件可以采用超级电容、电池、飞轮等储能设备。变换器用于实现和控制轨道交通供电系统直流网与储能元件之间的双向能量流动，因此变换器的类型需与储能元件的类型相匹配。例如当储能元件采用超级电容或电池时，变换器可以采用双向dc/dc变换器实现轨道交通供电系统直流网与储能元件之间的双向能量流动。电压传感器用于采集储能型再生能量吸收装置的直流网侧电压。电流传感器用于采集储能型再生能量吸收装置的直流网侧电流。储能量百分比传感器用于采集储能元件的当前储能量百分比。
4.将储能型再生能量吸收装置安装于轨道交通供电系统直流网主要是为了实现节能稳压作用。当列车制动并回馈再生能量时，直流网压将上升，储能型再生能量吸收装置为充电状态，吸收列车再生能量，并抑制直流网压上升；当列车启动并吸收牵引能量时，直流网压将下降，储能型再生能量吸收装置为放电状态，释放存储的能量，并抑制直流网压下降。目前储能型再生能量吸收装置最普通采用的控制策略是基于采集的直流网侧电压、直流网侧电流、当前储能量百分比以及设置的额定功率、充电阈值、放电阈值、总储能量、充电效率、放电效率、等效内阻、储能量百分比初始值、储能量百分比上限阈值、储能量百分比下限阈值等参数，控制和切换储能型再生能量吸收装置的充放电状态，控制原理如下：（1）当直流网侧电压小于充电阈值且大于放电阈值储能型再生能量吸收装置为待机状态，既不充电，也不放电。
5.（2）当直流网侧电压不小于充电阈值1）当前储能量百分比未达到储能量百分比上限，且输入功率未达到额定功率储能型再生能量吸收装置为恒压充电状态，吸收能量，并将直流网压稳定在充电阈值。
6.2）当前储能量百分比未达到储能量百分比上限，且输入功率达到额定功率储能型再生能量吸收装置为恒功率充电状态，吸收能量，并以额定功率进行充电，无法将直流网侧电压稳定在充电阈值。
7.3）当前储能量百分比达到储能量百分比上限储能型再生能量吸收装置为待机状态，既不充电，也不放电。
8.（3）当直流网侧电压不大于放电阈值1）当前储能量百分比未达到储能量百分比下限，且输出功率未达到额定功率储能型再生能量吸收装置为恒压放电状态，释放能量，并将直流网压稳定在放电阈值。
9.2）当前储能量百分比未达到储能量百分比下限，且输出功率达到额定功率储能型再生能量吸收装置为恒功率放电状态，释放能量，并以额定功率进行放电，无法将直流网侧电压稳定在放电阈值。
10.3）当前储能量百分比达到储能量百分比下限储能型再生能量吸收装置为待机状态，既不充电，也不放电。
11.轨道交通直流供电网可能在多个位置安装多套储能型再生能量吸收装置，并可能具有不同的额定功率和控制参数。储能型再生能量吸收装置的动态特性必然影响整个直流供电网的动态特性。在对于城市轨道交通供电系统的潮流仿真计算中，各个设备和装置的模拟方法都影响仿真计算的速度和精确度。储能型再生能量吸收装置应用于轨道交通供电系统的时间较晚，其电路结构相对于供电系统的其它装置更为复杂，变换器、大量电力电子器件及其控制系统具备复杂的时变非线性特征，使储能型再生能量吸收装置模拟仿真的计算速度受到很大限制。轨道交通供电系统的潮流仿真计算，需要考虑大量的电气设备、导体和负荷，其分给储能型再生能量吸收装置的计算资源有限，而且有计算速度要求，对于储能型再生能量吸收装置建立十分详细的模型是不现实的，但是采用过于简化的模型又缺乏准确性，遗漏重要的动态特性。因此研究适用于轨道交通供电系统潮流仿真计算的储能型再生能量吸收装置广义负荷等效模型，既满足工程精度需求，又保证仿真速度，对于完善城市轨道交通供电系统的潮流仿真计算具有十分重要的意义。
12.目前城市轨道交通供电系统的潮流仿真计算，对于储能型再生能量吸收装置的广义负荷模拟方法基本是采用电压源加内阻的模型或纯电流源的模型进行等效，无法精确等效模拟储能型再生能量吸收装置复杂的电气外特性。


技术实现要素：

13.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种适用于潮流仿真计算的储能型再生能量吸收装置模拟方法，基于储能型再生能量吸收装置的电气外特性，根据仿真前设置的恒定参数，以及仿真中实时采集的储能型再生能量吸收装置直流网侧电压u
dc
、直流网侧电流i
dc
、当前储能量百分比soc进行模型构建。
14.本发明采用的技术方案是：一种适用于潮流仿真计算的储能型再生能量吸收装置模拟方法，包括以下步骤：s1：建立主电路模型，主电路模型由两个支路并联形成，其中支路一由开关元件k1、电阻元件r、受控电压源u
sc
串联形成，支路二由开关元件k2、受控电流源i
sc
串联形成；s2：建立控制系统计算单元，其依据仿真前设置的恒定参数和在仿真中采集的主电路模型的直流网侧电压u
dc
、直流网侧输入电流i
dc
，以及控制系统计算单元在上一个仿真步长输出的控制信号soc，进行每个仿真步长的计算；控制系统计算单元在每个仿真步长输
出的控制信号为g1、r、u
sc
、g2、i
sc
、soc，其中g1、r、u
sc
、g2、i
sc
用于控制下一个仿真步长主电路模型的开关元件k1、电阻元件r、受控电压源u
sc
、开关元件k2、受控电流源i
sc
；soc表示储能型再生能量吸收装置在当前仿真步长的储能量百分比，也用于作为下一个仿真步长控制系统计算单元的一个输入。
15.g1用于决定在下一个仿真步长主电路模型的开关元件k1是导通还是断开；具体的：g1的数值为0时，开关元件k1在下一个仿真步长的状态为断开；g1的数值为1时，开关元件k1在下一个仿真步长的状态为导通；g2用于决定在下一个仿真步长开关元件k2是导通还是断开；具体的：g2的数值为0时，开关元件k2在下一个仿真步长的状态为断开；g2的数值为1时，开关元件k2在下一个仿真步长的状态为导通。r、u
sc
、i
sc
分别对下一个仿真步长主电路模型的电阻元件r、受控电压源u
sc
、受控电流源i
sc
进行赋值，具体的：r的数值为电阻元件r在下一个仿真步长的电阻值；u
sc
的数值为受控电压源u
sc
在下一个仿真步长的电压值；i
sc
的数值为受控电流源i
sc
在下一个仿步长的电流值。
16.控制系统计算单元在仿真前设置的恒定参数包括额定功率p
r
、充电阈值u
c
、放电阈值u
d
、总储能量e、充电效率η
c
、放电效率η
d
、等效内阻r
eq
、储能量百分比初始值soc
ini
、储能量百分比上限阈值soc
max
、储能量百分比下限阈值soc
min
和仿真步长时间t。
17.步骤s2中，控制系统计算单元在每个仿真步长的计算过程，包括以下步骤。其中，soc
n
表示控制系统计算单元在第n个仿真步长的计算输出soc，soc
n
‑1表示控制系统计算单元在第n
‑
1个仿真步长的计算输出soc。
18.步骤1：判断是否成立。
19.若成立，主电路模型在下一个仿真步长为待机状态（状态1），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
20.若不成立，进入步骤2。
21.步骤2：判断是否成立。
22.若成立，进入步骤3。
23.若不成立，进入步骤5。
24.步骤3：计算得到，并判断是否成立。
25.若成立，进入步骤4。
26.若不成立，主电路模型在下一个仿真步长为待机状态（状态1），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
27.步骤4：判断是否成立。
28.若成立，主电路模型在下一个仿真步长为恒压充电状态（状态2），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
29.若不成立，主电路模型在下一个仿真步长为恒功率充电状态（状态3），控制系统计算单元输出:算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
30.步骤5：计算得到，判断是否成立。
31.若成立，进入步骤6。
32.若不成立，主电路模型在下一个仿真步长为待机状态（状态1），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
33.步骤6：判断是否成立。
34.若成立，主电路模型在下一个仿真步长为恒压放电状态（状态4），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
35.若不成立，主电路模型在下一个仿真步长为恒功率放电状态（状态5），控制系统计算单元输出:算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
36.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明提出的储能型再生能量吸收装置模拟方法，通过建立通用性的主电路模型和控制系统计算单元，来模拟储能型再生能量吸收装置复杂的电气外特性，无需搭建含有大量电力电子器件的变换器电路，既满足了工程精度需求，又保证了仿真速度。
37.本发明采用的主电路模型、控制系统计算单元及其仿真计算过程，通用性强、实现简单、计算精度高，可以等效模拟各种类型的储能型再生能量吸收装置，并且该建模方法也适合在各类仿真软件（如matlab、pscad、rt_lab、c++等）上实现。
附图说明
38.图1是现有技术中储能型再生能量吸收装置示意图；图2是本发明的储能型再生能量吸收装置的主电路模型示意图；图3是本发明的储能型再生能量吸收装置的控制系统计算单元示意图；图4是本发明的控制系统计算单元输入输出参数与主电路模型各元件的控制关系图；图5是本发明的控制系统计算单元在每个仿真步长的计算原理图；图6是本发明基于仿真软件matlab/simulink搭建的主电路模型示意图；图7是本发明基于仿真软件matlab/simulink搭建的控制系统计算单元示意图；图8是本发明的储能型再生能量吸收装置直流网电压仿真结果；图9是本发明的储能型再生能量吸收装置吸收功率变化曲线仿真结果；图10是本发明的储能型再生能量吸收装置储能量百分比仿真结果；图11是本发明的储能型再生能量吸收装置节省能量变化曲线仿真结果。
具体实施方式
39.为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
40.实施例一本发明的实施例提供了一种适用于潮流仿真计算的储能型再生能量吸收装置模拟方法，其包括以下步骤：s1：建立主电路模型，如图2所示，主电路模型由两个支路并联形成，其中支路一由开关元件k1、电阻元件r、受控电压源u
sc
串联形成，支路二由开关元件k2、受控电流源i
sc
串联形成；电压传感器采集主电路模型的直流网侧电压u
dc
，电流传感器采集主电路模型的直流网侧输入电流i
dc
。图2中，a、b为主电路模型的两个连接端口，在轨道交通供电系统潮流仿真计算中，a、b两个端口分别连接至轨道交通供电系统的正负极。
41.s2：建立控制系统计算单元，如图3所示，其依据仿真前设置的恒定参数和在仿真中采集的主电路模型的直流网侧电压u
dc
、直流网侧输入电流i
dc
，以及控制系统计算单元在上一个仿真步长输出的控制信号soc，进行每个仿真步长的计算。控制系统计算单元输出的控制信号为g1、r、u
sc
、g2、i
sc
、soc；g1用于决定在下一个仿真步长主电路模型的开关元件k1是导通还是断开，r用于决定在下一个仿真步长电阻元件r的电阻值，u
sc
用于决定在下一个仿真步长受控电压源u
sc
的电压值，g2用于决定在下一个仿真步长开关元件k2是导通还是断开，i
sc
用于决定在下一个仿真步长受控电流源i
sc
的电流值，soc用于作为下一个仿真步长控制系统计算单元的一个输入。soc
n
表示控制系统计算单元在第n个仿真步长的计算输出soc。soc
n
‑1表示控制系统计算单元在第n
‑
1个仿真步长的计算输出soc，也是控制系统计算单元在第n个仿真步长的计算输入soc。控制系统计算单元在仿真前设置的恒定参数包括额定功率p
r
、充电阈值u
c
、放电阈值u
d
、总储能量e、充电效率η
c
、放电效率η
d
、等效内阻r
eq
、储能量百分比初始值soc
ini
、储能量百分比上限阈值soc
max
、储能量百分比下限阈值soc
min
和仿真步长时间t。g1和g2的数值为0或1；具体的：g1的数值为0时，开关元件k1在下一个仿真步长的状态为断开；g1的数值为1时，开关元件k1在下一个仿真步长的状态为导通；g2的数值为0时，
开关元件k2在下一个仿真步长的状态为断开；g2的数值为1时，开关元件k2在下一个仿真步长的状态为导通。r、u
sc
、i
sc
分别对电阻元件r、受控电压源u
sc
、受控电流源i
sc
赋值，具体的：r的数值为电阻元件r在下一个仿真步长的电阻值；u
sc
的数值为受控电压源u
sc
在下一个仿真步长的电压值；i
sc
的数值为受控电流源i
sc
在下一个仿真步长的电流值。
42.如图4所示，通过虚线连接给出了在仿真中控制系统计算单元的输入输出参数与主电路模型各元件的控制关系。
43.控制系统计算单元在每个仿真步长的计算过程，如图5所示，包括以下步骤：步骤1：判断是否成立。
44.若成立，主电路模型在下一个仿真步长为待机状态（状态1），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
45.若不成立，进入步骤2。
46.步骤2：判断是否成立。
47.若成立，进入步骤3。
48.若不成立，进入步骤5。
49.步骤3：计算得到，判断是否成立。
50.若成立，进入步骤4。
51.若不成立，主电路模型在下一个仿真步长为待机状态（状态1），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
52.步骤4：判断是否成立。
53.若成立，主电路模型在下一个仿真步长为恒压充电状态（状态2），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
54.若不成立，主电路模型在下一个仿真步长为恒功率充电状态（状态3），控制系统计算单元输出:算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
55.步骤5：计算得到，判断是否成立。
56.若成立，进入步骤6。
57.若不成立，主电路模型在下一个仿真步长为待机状态（状态1），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
58.步骤6：判断是否成立。
59.若成立，主电路模型在下一个仿真步长为恒压放电状态（状态4），控制系统计算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
60.若不成立，主电路模型在下一个仿真步长为恒功率放电状态（状态5），控制系统计算单元输出:算单元输出:，本次仿真步长计算结束。
61.实施例二本实施例基于仿真软件matlab/ simulink，阐明适用于轨道交通供电系统潮流仿真计算的储能型再生能量吸收装置的模拟仿真方法。本实施例的步骤如下：步骤1：建立通用性的主电路模型和控制系统计算单元。主电路模型采用matlab/ simulink自带模块库里的开关、电阻、受控电压源、受控电流源、电压采集表计、电流采集表计等元件进行搭建，如图6所示。控制系统计算单元采用matlab/ simulink自带模块库里的嵌入式函数模块进行搭建，如图7所示。按照本发明所述的控制系统计算单元的输入输出参数与主电路模型各元件的控制关系，将控制系统计算单元的输入输出参数和主电路模型各元件进行连接。
62.步骤2：在matlab/ simulink搭建的控制系统计算单元里采用软件自身的程序语言进行编程，实现本发明所述的控制系统计算单元工作原理。
63.步骤3：将主电路模型的a、b两个端口分别连接至轨道交通供电系统模型的直流网侧正负极。
64.基于上述步骤搭建的主电路模型和控制系统计算单元进行仿真，设定储能型再生能量吸收装置仿真的恒定参数如下：额定功率p
r
为4mw、充电阈值u
c
为840v、放电阈值u
d
为810v、总储能量e为4kwh、充电效率η
c
为0.95、放电效率η
d
为0.95、等效内阻r
eq
为2mω、储能量百分比初始值soc
ini
为0.5、储能量百分比上限阈值soc
max
为1、储能量百分比下限阈值soc
min
为0.25、仿真步长时间t为0.04s。
65.仿真结果如图8
‑
11所示。下面对仿真结果中的部分时刻进行分析。
66.当仿真时间为58s时，直流网压u
dc
为821v，成立，储能型再生能量吸收装置模型根据控制系统计算单元工作原理为状态1（待机状态），既不充电也不放电，因此储能型再生能量吸收装置模型功率为0，储能量百分比soc将维持不变；当仿真时间为40s时，直流网压u
dc
为840v，储能型再生能量吸收装置功率为1.586mw，储能型再生能量吸收装置储能量百分比soc为0.406，不成立，成立，成立，成立，储能型再生能量吸收装置模型根据控制系统计算单元工作原理为状态2（恒压充电状态），因此储能型再生能量吸收装置模型将直流网侧电压维持在u
c
，并且功率为正（即为充电状态），储能量百分比soc将增大；当仿真时间为70s时，直流网压u
dc
为810v，储能型再生能量吸收装置功率为
‑
0.312mw，储能型再生能量吸收装置储能量百分比soc为0.677，不成立，不成立，成立，成立，储能型再生能量吸收装置模型根据控制系统计算单元工作原理为状态4（恒压放电状态），因此储能型再生能量吸收装置模型将直流网侧电压维持在u
d
，并且功率为负（即为放电状态），储能量百分比soc将减小。
67.从仿真结果可以看出，本实施例搭建的储能型再生能量吸收装置仿真模型，实现简单、计算精度高，可以等效模拟储能型再生能量吸收装置复杂的电气外特性，满足工程精度需求。
68.以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。