Power management in co-phase traction power supply system with super capacitor energy storage for electrified railways

Increasing railway traffic and energy utilization issues prompt electrified railway systems to be more economical,efficient and sustainable.As regenerative braking energy in railway systems has huge potential for optimized utilization,a lot of research has been focusing on how to use the energy efficiently and gain sustainable benefits.The energy storage system is an alternative because it not only deals with regenerative braking energy but also smooths drastic fluctuation of load power profile and optimizes energy management.In this work,we propose a co-phase traction power supply system with super capacitor(CSS_SC)for the purpose of realizing the function of energy management and power quality management in electrified railways.Besides,the coordinated control strategy is presented to match four working modes,including traction,regenerative braking,peak shaving and valley filling.A corresponding simulation model is built in MATLAB/Simulink to verify the feasibility of the proposed system under dynamic working conditions.The results demonstrate that CSS_SC is flexible to deal with four different working conditions and can realize energy saving within the allowable voltage unbalance of 0.008%in simulation in contrast to 1.3%of the standard limit.With such a control strategy,the performance of super capacitor is controlled to comply with efficiency and safety constraints.Finally,a case study demonstrates the improvement in power fluctuation with the valley-to-peak ratio reduced by 20.3%and the daily load factor increased by 17.9%.

同步发电机励磁与SCES多目标协调控制

考虑超级电容器储能装置的有功和无功补偿能力,提出同步发电机励磁控制与超级电容器储能装置(SCES)结合的多目标协调控制方案。首先,建立以同步发电机机端电压、有功功率和角速度,以及超级电容器储能装置注入点电压和其注入有功功率为控制目标,建立多目标方程组进行协调控制。其次,利用目标全息反馈非线性控制设计理念,对同步发电机励磁和超级电容器储能装置,进行非线性协调控制设计,确保上述物理量均具有良好的静、动态性能。最后,通过软件仿真验证了所提思路的正确性。

Electrochemical Introduction of Active Sites into Super-long Carbon Nanotubes for Enhanced Capacitance

Electrochemical cyclic voltammetric（CV） scan was applied to inducing the partial oxidation and defects of carbon nanotubes（CNTs）.The electrochemically induced functional groups and physical defects were demonstrated to show positive effects on the nanotube capacitance,as exemplified by super-long CNT arrays as model for the easy fabrication of CNT electrodes.Specifically,the initial hydrophobic nanotube surface becomes hydrophilic and a ten-time enhancement in capacitance is observed with respect to the pristine CNT sample.Thus,the electrochemical CV pretreatment can be used as an effective approach to activate the CNT surface for an enhanced electrochemical performance in capacitors,and many other advanced devices beyond capacitors,such as electrochemical sensors and batteries.

混合储能聚合商参与能量-调频市场控制策略

提出了一种混合储能聚合商(hybrid energy storage aggregator,HESA)参与能量-调频市场的控制策略。首先,对于独立系统运营商(ISO)发出的调频指令信号进行VMDWVD时频域分析,重构固有模态分量(IMF)生成高频信号与低频信号,分别作为HESA中功率型储能和能量型储能的输入信号。其次,构建了计及多市场价格不确定性的HESA投标与运行策略min-max-min模型,基于列和约束生成算法(C&CG)和强对偶理论对主子问题进行迭代交替求解。最后,基于实际PJM市场的价格、调频信号等数据进行了仿真,验证了HESA主体投标运营策略的有效性。

计及实时最大功率约束的高速磁浮列车再生制动能量存储利用

针对高速磁浮列车牵引供电系统结构及运行规则特殊性导致再生制动能量无法主动利用、能量回馈方式对局域网电压影响大的问题,在对高速磁浮列车牵引供电系统结构和能量流动机理进行分析的基础上,给出基于地面式超级电容储能的高速磁浮列车再生制动能量回收利用系统拓扑结构;考虑高速磁浮列车再生制动能量回收系统容量配置小、超级电容工作电压变化明显的特性,以高效回收再生制动能量为目标,将储能系统实时的可运行最大功率作为约束功率,制定相应的能量管理策略,实现系统不同工况下的能量管理,并通过分层控制策略实现整个再生制动能量利用系统的高效运行。通过仿真验证所提再生制动能量回收利用系统及控制策略的有效性,结果表明:所提方案可使高速磁浮列车牵引能耗降低21.83%;与储能系统采用固定功率约束的功率分配方式相比,再生制动能量利用率提高了11.9%。

新能源储能微电网惯量支撑性能研究

针对传统虚拟惯量控制无法在频率恢复阶段使直流母线电压恢复至额定的问题,提出1种采用高通滤波器的虚拟惯量控制方法。MATLAB/Simulink仿真结果表明,直流母线电压变化可以反应微电网实时频率,新型虚拟惯量控制策略可以保证频率变化全过程稳定,在频率恢复阶段减小虚拟惯量加快频率恢复,为后续频率调节提供充足时间裕度。高通滤波器虚拟惯量控制方法可以使直流母线电压恢复至初值,在不改变超级电容储能惯量支撑的基础上,使新能源储能微电网保持直流母线电压稳定。

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。

基于MMC的超级电容与蓄电池混合储能系统及其混合同步控制策略

为满足储能系统提供惯量和一次调频支撑功能需要对多类型储能介质集中配置和优化调控的需求,针对基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的新型混合储能系统(hybrid energy storage system,HESS)MMC-HESS,提出了混合同步控制(hybrid synchronous control,HSC)整体策略。MMCHESS采用模块化设计,将超级电容和蓄电池分别安置在高压直流母线侧和子模块内,具备高功率密度和高能量密度的优势。阐述了混合储能系统的拓扑结构和工作原理并采用混合同步控制策略提供系统惯量和一次调频功能及故障限流时的同步能力和孤岛并网切换功能,采用滤波器实现储能功率分配,采用荷电状态(state of charge,SOC)均衡控制实现蓄电池能量均衡。最后,基于硬件在环实验平台,验证了所提拓扑结构与控制策略的可行性和有效性。实验结果表明:所提混合储能系统及其控制策略具备惯量与频率支撑能力,在故障限流、正常并网、孤岛运行之间可灵活切换,能够有效发挥混合储能的综合优势,在中压配电网中具有良好的应用前景。

基于改进粒子群算法的电网混合储能控制方法

为提高其对于电网储能系统的控制效果,提出基于改进粒子群算法的电网混合储能控制方法。建立混合储能系统等效模型,分别设置蓄电池储能模型和超级电容器储能模型,获取储能等效函数,采用改进粒子群算法对储能模型进行求解,根据最优解得到电网混合储能控制方案,仿真实验结果表明,改进粒子群算法在光照增加、光照减弱、负载增加、负载减小工作条件下的响应时间分别为172 ms、141 ms、223 ms、219 ms,均小于对比算法,其电压过冲比例则为6%、5%、7%、7%,远小于其他储能控制方法,具有十分明显的优越性。

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统高效仿真方法

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统(MMC-SCES)半导体开关器件数量众多,仿真规模庞大,给电磁暂态仿真效率带来了巨大的挑战。针对此问题,基于桥臂戴维南等效电路提出了一种高效的MMC-SCES电磁暂态仿真方法。该仿真运用嵌套快速求解方法对MMC-SCES进行建模,不仅可以大幅降低仿真耗时和保持仿真精度,还可以保留换流器的所有动态变量。搭建了双端MMC-SCES仿真系统,对所提出的高效仿真方法进行了验证。结果表明:相比于基于平均值模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法具有更高的精度,能够拟合子模块内部动态变量;相比基于详细开关模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法的仿真速度最高可提升约518倍,而仿真的绝对误差标幺化积分则控制在1%以内。

风储制氢电厂的一次调频控制策略

针对风电机组调频特性弱且单一储能装置无法满足全时间尺度功率能量需求的问题,提出了风储制氢电厂的一次调频控制策略。首先,依据传统同步机组一次调频功率输出特性,确定风储制氢电厂一次调频所需功率支撑。其次,通过分析电制氢装置(P2H)作为一种大容量可控负荷参与系统调频的可行性,对比不同储能介质的应用特点,选取超级电容与电制氢装置减载的多能协同调频方法。进而,针对分布式储能集中制氢架构的风储制氢电厂的特点,提出了一种多能协同的一次调频控制策略。最后,通过建立给予不同风速初始状态的风储制氢电厂仿真模型,验证了所提控制策略的有效性与合理性。

钒氧化物及金属钒酸盐在化学储能中的应用

钒氧化物具有多变的配位数和氧化态、较低的成本、丰富的资源等优点,作为典型的过渡金属氧化物,其应用于锂离子电池电极材料时具有良好的锂离子存储能力和较强的循环能力。钒氧化物在超级电容器中表现出高功率密度、快速充放电率和优良的循环周期等特性,是一种理想的储能材料,而金属钒酸盐显示出良好的可逆性和循环性。构筑合理纳米结构是获得电化学性能优异钒氧化物电极材料的有效途径,是提高电极材料放电/充电效率的最有效方法之一。综述了钒氧化物和金属钒酸盐在锂离子电池中应用以及钒氧化物在超级电容器中应用的研究进展,讨论了结构、制备条件对钒氧化物及金属钒酸盐性能的影响,展望了钒氧化物及金属钒酸盐的应用前景。

基于强化学习的串联超级电容器组非能耗均衡方法

超级电容器作为新兴储能元件的代表,在创新驱动发展战略实施背景下使用日益广泛,为解决串联超级电容器组使用中各单体电压偏差大、利用效率不高的问题,充分利用人工智能技术,提出了一种基于强化学习的串联超级电容器组非能耗均衡方法,将近端策略优化算法(PPO)应用于串联超级电容器组电压均衡中,在Matlab/Simulink仿真平台中搭建了串联超级电容器组和强化学习环境并验证了该算法的有效性,相较于传统的能耗型电压均衡方法,均衡效率较好,超级电容器的损耗较小,实验结果表明了PPO算法可实现串联超级电容器组电压的均衡。

轮胎式集装箱起重机节能技术现状研究及展望

为便于管控不同堆场区域内利用率,传统集装箱港口通常在堆场区域内布置轮胎式集装箱起重机,选择轮胎式集装箱起重机的主要原因是其具备转场灵活的特点,而这一特点又由柴油机的供电方式所决定。然而,由于轮胎式集装箱起重机的作业属性为间歇工作制,故存在能耗高、运行成本高、废气和噪声污染等问题。另外,随着资源问题和环境问题的日益突出,国家在政策面对集装箱港区提出了节能减排的降低指标,对集装箱港区堆场区域有效降低轮胎式集装箱起重机的能耗提出了新的要求。为此,文中就轮胎式集装箱起重机的技术现状,汇总及总结了国内外已有的多种节能技术方案,论述了各项节能方案的技术性、可行性、节能效果及其优劣性,以供相关工程技术人员参考。

计及荷电状态的混合储能系统容量优化配置

为平抑风电输出功率波动,降低对电力系统造成的冲击,提出一种计及荷电状态的混合储能系统容量优化配置策略。采取滑动平均控制的方法抑制功率波动性,运用频谱分析将风力发电波动部分转化为高、低频波动控制量,由混合储能系统按频段分别平抑控制,构建基于储能系统不同荷电状态区间的充、放电功率优化控制策略,以年平均成本最优为目标函数建立了计及蓄电池循环使用周期的成本模型。仿真结果表明,所提方法可实现功率波动的平滑控制,实现混合储能系统功率优化分配,使荷电状态保持在合理范围内,避免发生过充和过放,具有可行性以及经济优越性。

微网中的多元复合储能技术

储能技术被认为是微网的核心技术之一,它在稳定电网运行及利用可再生能源方面有重要作用。阐述了微网中储能的作用和意义,并结合适用于微网的几种储能方式,如飞轮储能、超导磁储能、超级电容器和蓄电池,分析了其技术特点。提出了未来微网中的多元复合储能应用模式,并简要分析了应用多元复合储能的技术课题。

带超级电容的光伏发电微网系统混合储能控制策略

为保证微电网系统稳定运行、各发电单元之间功率平衡以及输出电能质量良好,采用混合储能装置作为含光伏发电微电网系统的储能部分。提出了含光伏发电单元的微电网系统并网运行时各储能单元和直流母线电压的控制策略。当光伏发电并网系统的能量管理采用功率分配型控制策略时,直流母线电压幅值的稳定受发电单元侧控制,通过控制微电源与三相逆变器输送给电网能量之间的平衡来保持直流母线电压稳定;当新能源或本地负载功率发生突变时,由于蓄电池和超级电容储能装置具有较好的能量互补特点,通过控制蓄电池吸收或释放低频功率,超级电容吸收或释放高频功率,可以抑制负载突变对直流母线造成的冲击。仿真和实验结果表明,上述控制策略能有效、快速地调节系统有功、无功功率输出,抑制微电网系统负荷突变引起的功率波动,改善系统输出电能质量,提高系统的可靠性和稳定性。

基于成本分析的超级电容器和蓄电池混合储能优化配置方案

超级电容器和蓄电池混合储能系统综合了功率型储能元件和能量型储能元件的优势,避免了单一储能技术的不足,是储能技术的重要发展方向之一。针对储能在大功率、大容量、波动性较强的应用场合,在分析负荷特性需求的基础上,给出了储能系统总容量配置的方法,提出了基于成本分析的超级电容器和蓄电池的混合配置方案。算例分析验证了所提方法的有效性。

超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用

由于微网中含有发电单元输出功率与负荷功率2组不相关随机变量,储能需要频繁吸收(发出)有功功率以维持微网的稳定运行,这对传统蓄电池储能的工作状况产生了较大的负面影响,缩短了其使用寿命。文中提出了适用于微网的超级电容器与蓄电池混合储能结构,采用统一建模方法进行了建模,并采用小信号分析方法推导了储能的稳定条件。针对该混合储能结构,采用多滞环调节控制策略提高了储能的灵活性与实用性。利用超级电容器功率密度高和循环寿命长的优点,通过控制双向DC/DC变换器实现对蓄电池充放电过程的优化控制,可以避免蓄电池单独储能时的容量浪费,延长其使用寿命,提高储能的技术经济性。仿真和实验结果验证了所提出的混合储能结构及其控制策略的有效性。

基于储能技术提高风电机组低电压穿越能力的分析和展望

常用提高低电压穿越能力的技术中,存在控制策略法算法较复杂而且不够可靠,Crowbar电路法电阻选取要求高、控制易失效、不能提供无功支持等问题。首先对国内外低电压穿越技术标准进行了概述,分析了当前主要低电压穿越技术研究情况;然后对储能技术的特点及其在低电压穿越技术研究中的拓扑结构、特性等进行了探讨;最后对基于储能技术的低电压穿越技术应用前景进行了分析和展望。