城市地铁用LiB-EDLC混合储能系统功率/能量匹配特性及协同控制策略

The braking energy of city subway has the characteristics of high-power, high energy and nonlinear. The hybrid energy storage system(HESS), which is constituted by lithium ion Battery(LiB) and electric double layer capacitor(EDLC), could recycle this braking energy efficiently and economically. In connection with two main problems about HESS, which are how to match the capacities of LiB and EDLC Optimally and portion the energy opportunely, this project focus on the following mian contents: 1) By researching the energy flow mode of supply grid of metro through simulation, the range of power/energy is calculated to determine the boundary of HESS. 2) The law, that the electrochemical heat reaction of LiB impacts power/energy dynamic response characteristics is explored by experiments and simulations, and then the relationship between thermal characteristics and capacity as well as SOC is obtained. 3) The multi-objective function is established to solve the problem of the capacity optimization of LiB and EDLC. And then, according to the topology of double DC/DC converters and power/energy dynamic response characteristics of HESS, a control strategy is builded to apportion the power/energy to LiB and EDLC coordinately. The results of the project will provide guidance methods for city subway on the canpacity match and energy control strategy of HESS.

城市地铁制动时产生的回馈电能具有高功率、大能量、非线性等突出特点，由功率型锂电池（LiB）和超级电容器（EDLC）构成的混合储能系统可实现性能和经济性的完美平衡。本项目围绕混合储能系统如何优化匹配、如何优化控制这两个主要问题展开研究，主要研究内容包括：（1）通过系统仿真，全面研究地铁供电区间的能量流动模式，确定混合储能系统的功率/能量边界；（2）通过实验和仿真，研究电化学生热反应对锂电池功率/能量响应特性的影响规律，获得电池生热特性与可用容量及荷电状态（SOC）的相互关系；（3）建立多目标优化的LiB-EDLC优化匹配算法，在双DC/DC控制器的拓扑结构下，根据LiB和EDLC的不同功率/能量响应特性，建立协同控制的能量/功率分配策略。项目成果将为城市地铁混合储能系统的容量匹配和控制策略提供设计准则和方法指导。

城市地铁制动过程可回馈相当于牵引能量30%以上的制动能量到直流牵引网，采用储能技术回收利用多余再生电能，是保障地铁供电安全和实现地铁节能的有效方式。再生电能瞬时大功率和短时大能量的特点，使单一储能系统存在储能量不足、稳压性能差或者容量冗余大、成本体积重量高等问题；由锂电池（LiB）和超级电容器（EDLC）组成混合储能系统，可实现性能和经济性的完美平衡。.本项目围绕地铁混合储能系统如何优化匹配、如何优化控制两个问题展开研究，主要研究内容包括：（1）研究地铁供电区间的能流模型，确定储能系统功率/能量边界；（2）研究锂电池充放电特性及其对参数的影响规律，提供系统设计和控制的参考依据；（3）研究混合储能系统容量匹配和协同控制方法，实现系统性能和经济性的优化。.通过本项目的研究：（1）建立了高精度的地铁1500V直流供电系统能流模型，可实现地铁线路功率/能量仿真计算，并指导储能系统容量设计。（2）建立了三维分层的锂电池电热耦合模型，获得了锂电池生热机理，以此实现电池组散热结构优化。（3）获得了不均匀老化对电池容量的影响关系，采用改进型SOE方法提高了电池剩余电量估算精度，为充放电控制提供了准确的参考依据。（4）设计了混合储能系统参数优化方法，提升实际应用中地铁储能系统的性价比及备用需求性能。（5）提出了混合储能系统功率/能量优化分配的协同控制策略，保证了牵引网电压的稳定并提高了混合储能系统的整体性能。（6）搭建了地铁牵引系统物理仿真平台，可提供直流系统能流影响规律、不同储能控制策略实施效果的实物验证。（7）获得了电梯直流供电系统、分布式能源系统的储能参数配置方法及控制策略，实现混合储能技术的进一步推广。.综上所述，本项目完成了预期研究目标，可为地铁混合储能系统的容量配置和控制策略提供指导方法，有助于混合储能技术在地铁直流供电系统及类似储能领域的大规模应用。