A comprehensive review on hybrid electric vehicles: architectures and components

The rapid consumption of fossil fuel and increased environmental damage caused by it have given a strong impetus to the growth and development of fuelefficient vehicles. Hybrid electric vehicles (HEVs) have evolved from their inchoate state and are proving to be a promising solution to the serious existential problem posed to the planet earth. Not only do HEVs provide better fuel economy and lower emissions satisfying environmental legislations, but also they dampen the effect of rising fuel prices on consumers. HEVs combine the drive powers of an internal combustion engine and an electrical machine. The main components of HEVs are energy storage system, motor, bidirectional converter and maximum power point trackers (MPPT, in case of solar-powered HEVs). The performance of HEVs greatly depends on these components and its architecture. This paper presents an extensive review on essential components used in HEVs such as their architectures with advantages and disadvantages, choice of bidirectional converter to obtain high efficiency, combining ultracapacitor with battery to extend the battery life, traction motors’ role and their suitability for a particular application. Inclusion of photovoltaic cell in HEVs is a fairly new concept and has been discussed in detail. Various MPPT techniques used for solar-driven HEVs are also discussed in this paper with their suitability.

计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略

近年来,为实现电气化铁路“双碳”目标,多项铁路用能优化举措投入实施并取得一定成效,然而,单靠能耗优化治标不治本。为根治电气化铁路碳排放问题,在保证系统稳定运行的基础上,基于智能电网理念,提出计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略。首先,构建计及光伏和储能接入的牵引供电系统;然后,基于电力市场电价及新能源出力,采用日前联合调控、日内滚动调节和实时优化控制铁路用能,并通过分层分级优化,打破各“源”端相对独立、各自为政的壁垒,实现多能互补;最后,通过共享储能模式,降低储能装置闲置率并提高新能源利用率。仿真结果表明,该能量管理策略可在保障系统运行稳定和安全的基础上有效地降低系统的运行成本,同时保持良好的电能质量。

燃料电池船复合储能容量优化与配置经济性分析

复合储能系统可改善由船舶负载功率波动引起的燃料电池寿命损耗问题,但配置成本限制了其在燃料电池船上的广泛应用。为合理配置储能容量,使船舶动力系统设计具备长期的可靠性,提出了一种计及复合储能系统全寿命周期的容量优化配置方法。在构建各电源系统模型的基础上,建立包括购置成本、维护成本、置换成本和能耗成本的复合储能系统全寿命周期成本模型,并采用雨流计数法来评估储能的置换成本。最后依据“Alsterwasser”号燃料电池船的典型功率需求数据,以储能设备的容量参数、燃料电池的输出功率和电源系统的运行参数为优化变量,采用灰狼优化算法进行求解。通过不同储能类型和优化目标下的配置方案对比,验证了所提方法的经济性。

基于PSTSO多目标优化储能系统功率分配

为提高电池储能系统的功率分配合理性,提出基于状态优先的金枪鱼群优化PSTSO(priority of status tuna swarm optimization)算法的储能系统功率分配策略。首先设定了3个储能系统功率分配的评价指标,其次建立储能系统的运行成本、储能单元的健康状态SOH(state-of-health)损失、储能系统的荷电状态SOC(state-of-charge)一致性的数学模型,最后在满足系统功率平衡和SOC上、下限约束条件下,采用PSTSO算法进行功率分配。算例分析结果表明,所提策略可以有效减少电池单元充放电次数,降低电池单元的容量损耗,且保证储能系统的SOC一致性好。

计及光伏和储能接入的牵引供电系统日前调度

近年来,为实现电气化铁路“双碳”目标,多项铁路用能优化举措投入实施,但收效甚微.为进一步降低电气化铁路碳排放,改变其供能结构,将光伏和储能装置接入牵引供电系统.首先,构建复合牵引供电系统,并根据系统供能组成将其工况分类;其次,基于系统运行约束的轻重缓急设定优先级,并通过分层分级优化,实现不同运行工况下的系统最优状态;最后,通过合理优化变流器容量,实现系统运行性能和经济效益双赢下的最小碳排放.仿真结果表明,复合牵引供电系统保障系统稳定运行的同时,也大幅降低系统碳排放并实现性能最优.

基于自适应空间差分进化算法的节能优化研究

关注储能式列车的节能优化,通过最优化方法,在改进基本差分进化算法的基础上,应用自适应空间差分进化算法,建立求解储能式列车牵引能耗最小值的最优化数学模型,分析对列车运行能耗的影响因素。通过分析列车的牵引特性的恒牵引力-恒功率-自然特性的转折点对列车运行能耗的影响,不仅可以减低列车6.6%—9.3%的运行能耗,也可以为实际运用中的牵引特性曲线的设计提供参考。

锂离子电池/超级电容器混合储能系统能量管理方法综述

锂离子电池/超级电容器混合储能系统因其良好的性能、较低的成本和较强的通用性,已成为应用最为广泛的混合储能系统。能量管理技术是混合储能系统的核心技术之一,也是当前主要的研究热点。为了系统地对混合储能系统能量管理方法进行综述,本文首先对锂离子电池/超级电容器混合储能系统的拓扑结构、能量管理架构以及功率分配控制进行了介绍;而后,本文将现有的混合储能系统能量管理方法分为基于经验、基于优化、基于工况模式识别和基于机器学习5大类并进行了详细的对比分析,重点针对规律性工况与随机性工况讨论了各类能量管理方法的效能,并分析了各类方法的鲁棒性与计算复杂度;最后,本文对现有的能量管理方法进行了总结,并对该领域未来的研究方向和发展趋势进行了展望。综合分析表明,提高对随机性负载未来工况的预测精度、建立更加精准的混合储能系统模型并通过云端协同进一步提升能量管理方法的实时性将是未来混合储能系统能量管理研究的重点。

海港综合能源系统低碳经济发展研究综述

在我国“碳达峰与碳中和”愿景下,海港综合能源系统正通过全面电气化降低二氧化碳排放,实现海洋能源的可持续发展,但多能流融合给海港能源配置与优化运行带来新挑战。该文首先结合海港节能减排政策,对海港综合能源系统低碳经济发展进行概述;然后,从能源侧、负荷侧和能源存储3个层次分析海港综合能源系统特点,总结促进海港低碳减排的能源交易、碳捕集与利用封存、储能系统优化配置和多能互补协同优化运行关键技术;最后,对基于储能系统的未来海港低碳经济发展研究方向进行展望。

平抑风电波动的飞轮-电化学混合储能容量优化配置研究

为实现可再生能源的有效集成,减小风电的瞬时功率波动,利用锂电池类能量型储能与飞轮类功率型储能相结合的混合储能系统(HESS)对风电波动进行平抑。首先采用改进k-means算法得到典型日数据,利用经验模态分解(EMD)将其拆解得到HESS平抑任务;在综合考虑多种储能系统功率容量和充放电效率约束的基础上,构建相互协调运行的HESS能量管理系统。此外,以混合储能系统成本与风电功率机会补偿成本最低为目标函数,引入基准线变量和波动惩罚系数进行修正,构建平抑风电波动的HESS容量配置模型。最后结合实际并网数据,得到平滑效果和经济最优的配置方案。结果表明:所提配置方案风电累计欠补偿量共减少了91.8%,经济性提高了49.99%,最佳风储配比为1∶0.16,其中飞轮和锂电池比例为1∶4.65。

基于储能的非电气化铁路新型牵引供电系统架构及关键技术

为解决非电气化铁路采用110 kV/220 kV强网传统方案构建电气化铁路牵引供电系统难度大、成本高的问题,提出一种基于储能的以风、光等新能源为主体的新型牵引供电系统。分别从储能技术类别、工作原理、数学模型和典型应用等方面对新型牵引供电系统进行总结,阐明适配新型牵引供电系统的储能技术属性,阐述新型牵引供电系统内涵、特征和形态,并建立新型牵引供电系统的电气拓扑、测控平台、监控网络和管控逻辑架构;面向新型牵引供电系统源-荷随机强波动特征,从整体视角论述组分相互作用机理、系统稳定运行机制、能量流均衡机制和系统效能涌现机理,以及规划与优化配置、电能高效变换、能量自洽调度、效能评估和性能保持等关键技术。结果表明:建立基于储能的非电气化铁路新型牵引供电系统,可实现非电气化铁路的绿色低碳、弹性自洽、经济高效的电气化升级;为后续开展“理论研究-仿真验证-试验验证-评估优化”循环迭代的闭环研究提供参考借鉴。

计及电池寿命的储能系统参与二次调频功率分配策略

储能系统辅助火电机组二次调频具有响应速度快、跟踪精度高等优点,但功率分配不当会加速电池寿命衰减,导致运行成本增加,经济效益下降。如何制定合理的储能功率分配策略,在确保调频性能的同时延长电池寿命并提高经济效益,已成为亟待解决的重要问题。首先基于二阶RC等效电路建立储能锂电池的数学模型,采用限定记忆最小二乘递推算法辨识模型参数;随后,在火储联合调频模型的基础上,对基于比例、差额和频率的3种功率分配策略进行了仿真分析;最后,根据江苏某660 MW火电机组的实际运行数据,重点分析了不同策略对系统调频性能、电池寿命及经济性的影响。结果表明,比例分配策略的调频效果最差,且会加速电池寿命衰减;差额分配策略在调频性能上表现优异,但对电池寿命的改善有限;频率分配策略能够有效降低电池更换频率,可提高整体经济效益。总体而言,频率分配策略不仅可提高系统的调频能力,还能最大限度延长电池寿命并优化经济效益,在储能系统辅助火电机组二次调频中具有显著的应用优势。

液态空气储能耦合综合能源系统热电联储联供优化配置研究

液态空气储能(LAES)在多能耦合的综合能源系统中极具应用前景,合理的储能容量配置更有利于综合能源系统低碳经济运行,但目前研究未充分考虑LAES热电联储联供强相关的特性和优势。因此,本文提出了一种LAES耦合综合能源系统的热电联储联供优化配置方法,针对综合能源系统的基本架构,构建了各组成单元的热电联储/供调度约束模型,并以设备初始投资成本、设备运维成本、购能成本、弃风弃光成本等为目标函数,考虑了系统能量平衡约束、设备容量约束、设备出力约束、外网交互功率约束以及储能约束,建立了相应的优化配置模型,并基于混合整数线性规划方法进行模型求解。以某实际园区为例,设置了5种场景进行优化结果对比分析,结果表明:考虑LAES热电联储联供特性的综合能源系统能实时有效地满足系统用能需求,同时能实现更好的经济效益和环境效益,相较于传统分供系统,系统总经济成本下降37.1%,实现碳减排71.50%,并在消纳可再生能源和减少弃光弃风方面更具潜力。本研究可为LAES耦合系统热电联储联供优化模型的有效性提供理论依据,有助于推动LAES在综合能源系统中的商业化应用。

风储一体化系统无功响应技术研究

针对永磁直驱风机与分散式混合储能系统提出了联合无功控制策略。首先对永磁直驱风机以及储能系统的无功调节能力进行分析,确定永磁直驱风机与储能系统通过变流器控制均可参与无功调节;其次提出无功控制策略,从信号接收、初次分配、内部分配等方面进行分析,在初次分配中采用了等裕度分配方法,在内部分配中考虑了以储能优先出力进行比例分配;最后通过仿真验证了该策略的有效性,该策略可充分利用永磁直驱风机与储能系统的无功容量能力对电网的电压提供有效支撑。

“光储直柔”建筑案例特征分析及系统设计相关问题探讨

“光储直柔”是解决建筑光伏发电与建筑终端用电时空错配难题等问题、促进光伏发电本地消纳的重要技术手段之一,也是以可再生能源为主体的新型电力系统实现“荷随源动”,提高供电安全性、可靠性与稳定性的重要支撑技术,对于零碳建筑和零碳电力的实现也具有重要作用。本文在对国内“光储直柔”建筑示范项目调研的基础上,汇集17个典型案例,分析了“光储直柔”建筑的气候区域、建筑类型、建筑规模等分布特征和建筑光伏、储能、直流配电、直流用电场景等技术特征,提出了建筑“光储直柔”的适宜应用场景、系统拓扑结构及电压等级选择建议和“光储直柔”系统的容量配置方法,指出了城市和农村建筑“光储直柔”发展的差异化技术路径,为建筑“光储直柔”的设计与推广应用提供一些有益参考。

混合储能系统快速功率响应模型预测控制

针对混合储能系统平抑微电网大功率负荷突变引起的直流母线电压波动过程中控制响应速度慢、储能功率分配不合理等问题,提出混合储能系统快速功率响应模型预测控制。首先,根据储能系统预测电流值与系统功率补偿量得到储能系统预测功率并将其作为参考功率,设计基于有理函数拟合的功率配置方案对参考功率进行优化配置,得到锂电储能与飞轮储能的参考功率,实现飞轮储能系统容量的最大化利用,减少突变功率对电池影响,延长电池使用寿命。其次,通过储能系统功率电流变换关系获得参考电流值,并采用增量式模型预测控制算法对锂电-飞轮储能系统进行控制,得到最优控制输出,使实际电流快速跟随参考电流以抑制直流母线电压波动。最后,通过仿真和硬件在环半实物仿真验证所提控制策略的有效性及实用性。

基于哈里斯鹰优化算法的光伏储能容量配置优化

在双碳目标下,高比例的光伏等新能源接入对电网造成了冲击。针对此问题,从电站侧出发,基于最低的光伏功率平均波动率和储能系统成本这两个优化目标,提出了一种基于哈里斯鹰优化算法的储能容量配置优化模型,通过聚类算法将天气类型分为四种并分别进行优化。结合算例分析,所提出的模型对储能配置问题在雨雪等较差的工况可将日均波动率从54.61%降低至13.60%,晴天等较好的工况日均波动率可下降约5%。通过双层优化,确定出最终储能配置方案为2.5 MW/4.59 MW·h,结合全年数据进行优化验证,此方案下全年平均波动率从19.41%下降至11.33%,全周期成本814.75万元。

考虑风光消纳的储能系统容量优化配置及运行策略研究

“双碳”背景下,综合考虑储能系统容量配置方法和运行策略,有助于提高风光可再生能源消纳率、保障系统经济性和安全运行。在储能系统规划阶段,针对风光协同消纳的不同应用场景,本文提出一种基于运行成本考虑的储能系统容量优化配置方法。以弃风、弃光和储能投资成本之和最小为目标函数,考虑功率平衡、支路潮流以及火电、风电和光伏出力等构建约束条件,对不同场景下储能系统容量进行规划,从而减少弃风弃光,实现对风光可再生能源的消纳。在储能系统实际运行阶段,针对储能系统SOC均衡度较差和运行策略实现较难的问题,提出储能系统功率优化分配双层运行策略。根据调度系统为消纳风光等可再生能源下发的储能系统功率指令,在上层基于储能电池子系统剩余电量(state of charge, SOC)和充放电能力选择最优充放电电池子系统,在下层以电池单元SOC均衡为目标实现功率优化分配,并基于AOE(activity on edge)控制组态通过Excel编写配置文件实现该策略,具有使用难度低、编写简单、控制过程形象直观、计算与运行效率高等优点,对减缓电池老化、降低用户运行策略实现难度、有效消纳风光可再生能源具有重要意义。

消纳弃风的风电混合储能供热系统容量配置优化

为解决“三北”地区冬季建筑能耗较高且弃风严重的问题,设计了由锂电池、固体蓄热装置和热泵设备组成的风电混合储能供热系统。首先基于BP神经网络预测了风电机组输出功率,采用k-means聚类分析得到了供热典型日负荷曲线;然后提出了一种基于粒子群优化算法的风电混合储能供热系统容量配置优化方法,以系统总成本最小和弃风量最低为约束条件构建了目标函数;最后比较了考虑和不考虑弃风条件下,风电混合储能供热系统的容量配置优化结果。研究表明,所提出的优化方法不但可以有效降低弃风率,场景适用性强,还能够满足严寒地区冬季清洁供热需求,为可再生能源高效利用提供参考。

基于老化成本实时次梯度的异构储能系统功率分配策略

随着锂离子电池的商业化推广和混合储能技术的发展,规模化储能系统可能存在异构特性。组成异构储能系统的储能单元之间存在差异,对储能系统内部功率分配提出更高的要求。为降低异构储能系统运行过程中的老化成本,首先,给出基于循环的老化模型用于计算不同储能单元老化成本;然后,提出一种无差在线雨流计数法实现功率与循环映射关系的实时更新,并使用链式法则得到储能系统老化成本关于充放电功率的实时次梯度,基于次梯度计算功率分配权重;最后,提出一种基于分配权重的功率迭代分配算法,考虑储能单元的功率边界和荷电状态边界。对分期建设的储能系统参与二次调频的场景进行仿真,结果表明,所提策略相比常用的两种功率分配方法(基于最大功率和基于剩余能量的分配策略)能够分别降低8.08%和10.34%的老化成本。

基于双级主动式拓扑的锂电池寿命优化

随着储能充电站的应用需求逐渐上升,锂电池作为主要储能载体应用广泛.但在大功率且频繁充放电工况下,锂电池循环寿命会显著降低,导致储能成本升高.鉴于超级电容具有长寿命优势,构造由超级电容与锂电池组成的混合储能系统,通过优化控制策略提高锂电池寿命并降低储能充电站的投运成本.提出双级主动式拓扑的混合储能系统,由锂电池为两个超级电容模组交替充电,再通过超级电容模组高倍率放电.基于此,根据充电桩工况提出多阶段功率状态估计协同规划策略,通过优化功率分配方案来平缓锂电池功率波动,从而保护锂电池.仿真结果表明:相较于纯锂电池储能和传统全主动式拓扑储能,双级主动式拓扑储能方案显著提高了锂电池循环寿命.