一种基于飞轮储能的混合储能方法及相关组件与流程

1.本发明涉及飞轮储能领域，特别是涉及一种基于飞轮储能的混合储能方法及相关组件。


背景技术：

2.城市轨道列车在制动时产生的再生制动能量相当可观，这些再生制动能量除了一部分被相邻车辆吸收之外，剩余部分都流入到直流母线中，如果不能吸收这些能量，将会引起直流母线电压升高，电压过高将会影响到系统的正常运行，因此，需要配置能量吸收设备来吸收这些再生制动能量。而为了尽可能避免能量被浪费，一般会选择储能装置来存储再生制动能量，同时通过在城市轨道列车中设置有与直流母线连接的制动电阻，当直流母线上的电压超过制动电阻的启动阈值时，通过制动电阻消耗多余的能量。近年来，随着飞轮技术的发展，通过飞轮储能装置来实现飞轮储能，也开始成为城轨储能的一种新的选择。飞轮储能作为一种机械式储能技术，在列车制动时吸收能量，即通过将能量转化为旋转动能，储存在旋转的飞轮中，在列车启动和加速时，将储存的动能转换为电能或机械能输出，对瞬间产生的较大的能量波动有很好的响应能力。
3.对于现有技术中应用于城市轨道列车的飞轮储能方法，一般是通过飞轮储能装置维持直流母线的电压的稳定，但由于飞轮储能受限于飞轮材料、轴承强度以及飞轮转速过高可能产生的安全隐患，飞轮储能装置的能量密度相较于其他储能装置较低，即飞轮储能装置的储能量较少，且单位储能量成本远高于其他储能装置。实际应用中，城市轨道列车存在发车间隔较短的高峰期和发车间隔较长的低峰期。当城市轨道列车运行处于低峰期时，再生制动能量剩余量较多，可能会出现飞轮转速过快，即飞轮储能装置的储能量接近上限，若此时出现的较大的再生制动能量波动，即有城市轨道列车制动并产生较多的再生制动能量，飞轮储能装置将无法吸收多余的再生制动能量，导致直流牵引网电压升高、大量能量通过制动电阻被消耗掉的情况，能量回收效果差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于飞轮储能的混合储能方法及相关组件，通过飞轮储能装置和电池储能装置共同构成储能系统，出现较大的再生制动能量波动，储能量足够的飞轮储能装置可以吸收瞬间产生的较大的电能，以当避免制动电阻不必要的启动，最大程度回收再生制动能量。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于飞轮储能的混合储能方法，应用于城市轨道列车的储能系统的处理器，所述储能系统还包括飞轮储能装置和电池储能装置，所述飞轮储能装置分别与所述电池储能装置和直流母线连接，且所述城市轨道列车中设置有制动电阻，所述制动电阻与所述直流母线连接，所述混合储能方法包括：
6.判断所述城市轨道列车是否处于低峰期；
7.若所述城市轨道列车处于所述低峰期，控制所述电池储能装置的充放电状态，以
使所述直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值，所述第一放电阈值小于所述第一充电阈值；
8.判断所述直流母线的电压是否大于第二充电阈值，所述第二充电阈值大于所述第一充电阈值，且所述第二充电阈值小于所述制动电阻的启动阈值；
9.若所述直流母线的电压大于所述第二充电阈值，控制所述飞轮储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第二充电阈值。
10.一方面，在判断所述城市轨道列车是否处于低峰期之前，还包括：
11.判断所述城市轨道列车是否处于高峰期；
12.若所述城市轨道列车不处于所述高峰期，进入判断所述城市轨道列车是否处于低峰期的步骤；
13.若所述城市轨道列车处于所述高峰期，根据所述飞轮储能装置的荷电状态，控制所述飞轮储能装置和所述电池储能装置的充放电状态，以使所述直流母线的电压不大于所述第一充电阈值且不小于所述第一放电阈值。
14.一方面，根据所述飞轮储能装置的荷电状态，控制所述飞轮储能装置和所述电池储能装置的充放电状态，包括：
15.当所述直流母线的电压大于所述第一充电阈值时，控制所述飞轮储能装置和所述电池储能装置进入充电状态，所述飞轮储能装置的第一充电功率和所述电池储能装置的第一充电功率的关系式为：
[0016][0017]
其中，p
fw_chr1
为所述城市轨道列车处于高峰期时，所述飞轮储能装置的第一充电功率，p
b_chr1
为所述城市轨道列车处于高峰期时，所述电池储能装置的第一充电功率，k为功率分配比例系数，p
s1
为将所述直流母线的电压降低至不大于所述第一充电阈值所需的第一需求功率，p
fw_max
为所述飞轮储能装置的额定最大充放电功率；
[0018]
当所述直流母线的电压小于所述第一放电阈值时，控制所述飞轮储能装置和所述电池储能装置进入放电状态，所述飞轮储能装置的放电功率和所述电池储能装置的放电功率的关系式为：
[0019][0020]
其中，p
fw_dis
为所述城市轨道列车处于高峰期时，所述飞轮储能装置的放电功率，p
b_dis
为所述城市轨道列车处于高峰期时，所述电池储能装置的放电功率，p
s2
为将所述直流母线的电压升高至不小于所述第一放电阈值所需的第二需求功率，p
fw_max
为所述飞轮储能装置的额定最大充放电功率。
[0021]
一方面，控制所述电池储能装置的充放电状态，以使所述直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值，所述第一放电阈值小于所述第一充电阈值，包括：
[0022]
当所述直流母线的电压大于所述第一充电阈值时，控制所述电池储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第一充电阈值；
[0023]
当所述直流母线的电压小于所述第一放电阈值时，控制所述电池储能装置进入放电状态，以使所述直流母线的电压升高到不小于所述第一放电阈值。
[0024]
一方面，在控制所述电池储能装置的充放电状态之后，还包括：
[0025]
根据所述电池储能装置的荷电状态，控制所述飞轮储能装置的充放电状态，以使在所述直流母线的电压不大于所述第一充电阈值且不小于所述第一放电阈值的情况下，所述飞轮储能装置的荷电状态在预设的快速响应荷电状态范围内，所述飞轮储能装置的充放电功率和所述电池储能装置的充放电功率的关系式为：
[0026][0027]
其中，p
fw
为所述城市轨道列车处于低峰期时，所述飞轮储能装置的充放电功率，pb为所述城市轨道列车处于低峰期时，所述电池储能装置的充放电功率，p
s3
为将所述直流母线的电压控制在不大于所述第一充电阈值且不小于所述第一放电阈值范围内所需的第三需求功率，pk为根据所述电池储能装置的荷电状态对所述飞轮储能装置的荷电状态进行控制的修正功率，e
fw
为所述飞轮储能装置的当前能量值，e
st
为所述飞轮储能装置的荷电状态在预设的快速响应荷电状态范围内时，所述飞轮储能装置的修正能量值。
[0028]
一方面，控制所述飞轮储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第二充电阈值，包括：
[0029]
根据所述电池储能装置的荷电状态，控制所述飞轮储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第二充电阈值，所述飞轮储能装置的第二充电功率和所述电池储能装置的第二充电功率的关系式为：
[0030][0031]
其中，p
fw_chr2
为所述城市轨道列车处于低峰期且所述直流母线的电压大于所述第二充电阈值时，所述飞轮储能装置的第二充电功率，p
b_chr2
为所述城市轨道列车处于高峰期且所述直流母线的电压大于所述第二充电阈值时，所述电池储能装置的第二充电功率，k为功率分配比例系数，p
s4
为将所述直流母线的电压降低至不大于所述第二充电阈值所需的第四需求功率，p
b_max
为所述电池储能装置的额定最大充放电功率。
[0032]
一方面，在判断所述城市轨道列车是否处于低峰期之后，还包括：
[0033]
若所述城市轨道列车不处于所述低峰期，判断所述城市轨道列车是否处于非工作期；
[0034]
若是，控制所述飞轮储能装置进入放电状态；
[0035]
控制所述电池储能装置进入充电状态，以使所述飞轮储能装置进入放电状态产生
的电能被所述电池储能装置吸收。
[0036]
本发明还提供了一种基于飞轮储能的混合储能装置，应用于城市轨道列车的储能系统的处理器，所述储能系统还包括飞轮储能装置和电池储能装置，所述飞轮储能装置分别与所述电池储能装置和直流母线连接，且所述城市轨道列车中设置有制动电阻，所述制动电阻与所述直流母线连接，所述混合储能装置包括：
[0037]
低峰期判断模块，用于判断所述城市轨道列车是否处于低峰期；
[0038]
电池储能装置控制模块，用于若所述城市轨道列车处于所述低峰期，控制所述电池储能装置的充放电状态，以使所述直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值，所述第一放电阈值小于所述第一充电阈值；
[0039]
第二充电阈值判断模块，用于判断所述直流母线的电压是否大于第二充电阈值，所述第二充电阈值大于所述第一充电阈值，且所述第二充电阈值小于所述制动电阻的启动阈值；
[0040]
飞轮储能装置控制模块，用于若所述直流母线的电压大于所述第二充电阈值，控制所述飞轮储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第二充电阈值。
[0041]
本发明还提供了一种城市轨道列车的储能系统，应用于城市轨道列车，所述城市轨道列车中设置有制动电阻，所述制动电阻与直流母线连接，所述储能系统包括：
[0042]
处理器，用于执行如上述所述的基于飞轮储能的混合储能方法的步骤；
[0043]
飞轮储能装置，所述飞轮储能装置分别与电池储能装置和所述直流母线连接；
[0044]
所述电池储能装置。
[0045]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述目标计算机可读存储介质上储存有计算机程序，所述目标计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的基于飞轮储能的混合储能方法的步骤。
[0046]
本发明提供了一种基于飞轮储能的混合储能方法及相关组件，通过飞轮储能装置和电池储能装置共同构成储能系统，当城市轨道列车处于再生制动能量较大的低峰期时，先通过电池储能装置维持直流母线的电压的稳定，即将直流母线的电压维持在第一充电阈值和第一放电阈值之间，在保证直流母线无过大电压波动、供电可靠的同时，也保证了飞轮储能装置有足够的储能量；当直流母线的电压大于第二充电阈值，即出现较大的再生制动能量波动，储能量足够的飞轮储能装置可以吸收瞬间产生的较大的电能，以当避免制动电阻不必要的启动，最大程度回收再生制动能量。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1为本发明实施例提供的一种基于飞轮储能的混合储能方法的流程图；
[0049]
图2为本发明实施例提供的一种基于飞轮储能的混合储能装置的结构示意图；
[0050]
图3为本发明实施例提供的一种飞轮储能装置的结构示意图；
[0051]
图4为本发明实施例提供的一种飞轮储能稳压效果对比图；
[0052]
图5为本发明实施例提供的一种管庄站变电站输出功率对比图；
[0053]
图6为本发明实施例提供的一种管庄站变电站电压对比图。
具体实施方式
[0054]
本发明的核心是提供一种基于飞轮储能的混合储能方法及相关组件，通过飞轮储能装置和电池储能装置共同构成储能系统，出现较大的再生制动能量波动，储能量足够的飞轮储能装置可以吸收瞬间产生的较大的电能，以当避免制动电阻不必要的启动，最大程度回收再生制动能量。
[0055]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于飞轮储能的混合储能方法的流程图，应用于城市轨道列车的储能系统的处理器，储能系统还包括飞轮储能装置和电池储能装置，飞轮储能装置分别与电池储能装置和直流母线连接，且城市轨道列车中设置有制动电阻，制动电阻与直流母线连接，混合储能方法包括：
[0057]
s101：判断城市轨道列车是否处于低峰期；
[0058]
s102：若城市轨道列车处于低峰期，控制电池储能装置的充放电状态，以使直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值，第一放电阈值小于第一充电阈值；
[0059]
s103：判断直流母线的电压是否大于第二充电阈值，第二充电阈值大于第一充电阈值，且第二充电阈值小于制动电阻的启动阈值；
[0060]
s104：若直流母线的电压大于第二充电阈值，控制飞轮储能装置进入充电状态，以使直流母线的电压下降到不大于第二充电阈值。
[0061]
具体实施例中，城市轨道列车存在发车间隔较短的高峰期和发车间隔较长的低峰期，在判断城市轨道列车是否处于低峰期时，可以通过发车间隔进行判断，也可以预先设置时间段，根据每日客流量规律，将城市轨道列车的工作时间分为高峰期时段和低峰期时段，当进入对应时间，就判定城市轨道列车处于对应的高峰期或低峰期，例如上下班通勤高峰期的时间段作为发车间隔较短的高峰期，剩余的工作时间作为发车间隔较长的低峰期。
[0062]
当城市轨道列车处于低峰期时，优先通过控制电池储能装置对城市轨道列车产生的再生制动能量进行回收利用，并当城市轨道列车牵引时释放能量以维持直流母线的电压稳定。由于当城市轨道列车处于低峰期时，发车间隔较长，即每当有城市轨道列车进入制动状态、产生大量再生制动能量时，直流母线上的电压会骤然升高，需要储能系统在短时间内吸收大量的再生制动能量，以避免直流母线电压达到制动电阻的启动阈值引起制动电阻启动。但电池储能装置对瞬时大能量波动的响应能量有限，故当直流母线的电压大于第二充电阈值时，即直流母线上的电压会骤然升高时，通过高能量密度的飞轮储能装置吸收大量再生制动能量，维持直流母线的电压稳定。
[0063]
需要说明的是，本实施例并不限定控制电池储能装置的充放电状态的具体控制方
法，可以是当直流母线的电压大于第一充电阈值时，控制电池储能装置进入充电状态，当直流母线的电压小于第一放电阈值时，控制电池储能装置进入放电状态，；也可以是为直流母线设置额定电压，当直流母线上的电压大于额定电压，控制电池储能装置进入充电状态，当直流母线上的电压小于额定电压，控制电池储能装置进入放电状态，也可以是其他的控制方法，可以由本领域技术人员根据实际情况进行选择。
[0064]
本发明提供了一种基于飞轮储能的混合储能方法及相关组件，通过飞轮储能装置和电池储能装置共同构成储能系统，当城市轨道列车处于再生制动能量较大的低峰期时，先通过电池储能装置维持直流母线的电压的稳定，即将直流母线的电压维持在第一充电阈值和第一放电阈值之间，在保证直流母线无过大电压波动、供电可靠的同时，也保证了飞轮储能装置有足够的储能量；当直流母线的电压大于第二充电阈值，即出现较大的再生制动能量波动，储能量足够的飞轮储能装置可以吸收瞬间产生的较大的电能，以当避免制动电阻不必要的启动，最大程度回收再生制动能量。
[0065]
在上述实施例的基础上：
[0066]
在一些实施例中，在判断城市轨道列车是否处于低峰期之前，还包括：
[0067]
判断城市轨道列车是否处于高峰期；
[0068]
若城市轨道列车不处于高峰期，进入判断城市轨道列车是否处于低峰期的步骤；
[0069]
若城市轨道列车处于高峰期，根据飞轮储能装置的荷电状态，控制飞轮储能装置和电池储能装置的充放电状态，以使直流母线的电压不大于第一充电阈值且不小于第一放电阈值。
[0070]
具体实施例中，由于高峰期发车间隔较短，再生制动能量较少，此时优先通过飞轮储能装置吸收再生制动能量，同时根据飞轮储能装置的荷电状态判断飞轮储能系统的剩余储能量，在飞轮储能装置的剩余储能量较少或飞轮储能装置中已存储的能量较少时，通过电池储能装置吸收多余能量或放出部分能量，即优先通过飞轮储能装置维持直流母线的电压稳定，电池储能装置起辅助作用。
[0071]
需要说明的是，本实施例中先判断城市轨道列车是否处于高峰期，若城市轨道列车不处于高峰期，再判断城市轨道列车是否处于低峰期，在另一些实施例中，也可以先判断城市轨道列车是否处于低峰期，若若城市轨道列车不处于低峰期，再判断城市轨道列车是否处于高峰期，或者可以同时进行判断，本发明在此不做具体限定。
[0072]
本实施例中，当城市轨道列车处于高峰期时，优先通过飞轮储能装置维持直流母线的电压稳定，减少电池储能装置的充放频率，以提高电池储能装置的使用寿命。
[0073]
在一些实施例中，根据飞轮储能装置的荷电状态，控制飞轮储能装置和电池储能装置的充放电状态，包括：
[0074]
当直流母线的电压大于第一充电阈值时，控制飞轮储能装置和电池储能装置进入充电状态，飞轮储能装置的第一充电功率和电池储能装置的第一充电功率的关系式为：
[0075][0076]
其中，p
fw_chr1
为城市轨道列车处于高峰期时，飞轮储能装置的第一充电功率，p
b_chr1
为城市轨道列车处于高峰期时，电池储能装置的第一充电功率，k为功率分配比例系
数，p
s1
为将直流母线的电压降低至不大于第一充电阈值所需的第一需求功率，p
fw_max
为飞轮储能装置的额定最大充放电功率；
[0077]
当直流母线的电压小于第一放电阈值时，控制飞轮储能装置和电池储能装置进入放电状态，飞轮储能装置的放电功率和电池储能装置的放电功率的关系式为：
[0078][0079]
其中，p
fw_dis
为城市轨道列车处于高峰期时，飞轮储能装置的放电功率，p
b_dis
为城市轨道列车处于高峰期时，电池储能装置的放电功率，p
s2
为将直流母线的电压升高至不小于第一放电阈值所需的第二需求功率，p
fw_max
为飞轮储能装置的额定最大充放电功率。
[0080]
具体实施例中，当直流母线的电压大于第一充电阈值时，控制飞轮储能装置和电池储能装置进入充电状态，此时飞轮储能装置的充电量要按照预设的比例进行充电，即通过功率分配比例系数k控制飞轮储能装置的充电量，以避免出现飞轮储能装置的储能量接近上限，飞轮储能装置将无法吸收较大的再生制动能量波动的情况；当直流母线的电压小于第一放电阈值时，控制飞轮储能装置和电池储能装置进入放电状态，若飞轮储能装置的放电功率可以满足维持直流母线稳定的需求，则完全由飞轮储能装置放电，若将直流母线的电压升高至不小于第一放电阈值所需的第二需求功率大于飞轮储能装置的放电功率，在飞轮储能装置放电的同时，由电池储能装置放电，以满足直流母线的需求。
[0081]
本实施例中，通过公式的形式描述了飞轮储能装置和电池储能装置的控制策略，即充电时通过功率分配比例系数k控制飞轮储能装置的充电量，以避免飞轮储能装置的储能量接近上限，放电时优先由飞轮储能装置进行放电，在减少电池储能装置的充放频率，以提高电池储能装置的使用寿命的同时，也最大程度保留了飞轮储能装置对瞬时大能量波动的响应能力。
[0082]
在一些实施例中，控制电池储能装置的充放电状态，以使直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值，第一放电阈值小于第一充电阈值，包括：
[0083]
当直流母线的电压大于第一充电阈值时，控制电池储能装置进入充电状态，以使直流母线的电压下降到不大于第一充电阈值；
[0084]
当直流母线的电压小于第一放电阈值时，控制电池储能装置进入放电状态，以使直流母线的电压升高到不小于第一放电阈值。
[0085]
本实施例中，以第一充电阈值和第一放电阈值为触发对电池储能装置进行控制的触发条件，减少电池储能装置的充放电状态转换频率，提高电池储能装置的使用寿命。
[0086]
在一些实施例中，在控制电池储能装置的充放电状态之后，还包括：
[0087]
根据电池储能装置的荷电状态，控制飞轮储能装置的充放电状态，以使在直流母线的电压不大于第一充电阈值且不小于第一放电阈值的情况下，飞轮储能装置的荷电状态在预设的快速响应荷电状态范围内，飞轮储能装置的充放电功率和电池储能装置的充放电功率的关系式为：
[0088][0089]
其中，p
fw
为城市轨道列车处于低峰期时，飞轮储能装置的充放电功率，pb为城市轨道列车处于低峰期时，电池储能装置的充放电功率，p
s3
为将直流母线的电压控制在不大于第一充电阈值且不小于第一放电阈值范围内所需的第三需求功率，pk为根据电池储能装置的荷电状态对飞轮储能装置的荷电状态进行控制的修正功率，e
fw
为飞轮储能装置的当前能量值，e
st
为飞轮储能装置的荷电状态在预设的快速响应荷电状态范围内时，飞轮储能装置的修正能量值。
[0090]
具体实施例中，当城市轨道列车处于低峰期时，当充放电功率未超出电池功率最大值，即未出现较大的再生制动能量波动的情况时，可以根据电池储能装置的荷电状态，在电池储能装置和飞轮储能装置之间进行能量交换，实现对飞轮储能装置的电荷状态的调整，即当电池储能装置中存储有足够能量且并未达到储能量上限时，调整飞轮储能装置中飞轮的转速，保证其转速适中，实现对低峰期充放电功率的快速响应。具体的，当飞轮储能装置的电荷状态在预设的快速响应荷电状态范围内时，飞轮储能装置中存储有一定的能量，该部分能量使得当直流母线的电压降低时，飞轮储能装置可以对电压起到稳定作用，但该部分能量并不会导致飞轮储能装置的储能量接近上限，即当出现的较大的再生制动能量波动，即有城市轨道列车制动并产生较多的再生制动能量，飞轮储能装置也可以吸收多余的再生制动能量。
[0091]
本实施例在通过电池储能装置维持直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值时，也对飞轮储能装置的电荷状态进行调整，保证飞轮储能装置对低峰期充放电功率的快速响应。
[0092]
在一些实施例中，控制飞轮储能装置进入充电状态，以使直流母线的电压下降到不大于第二充电阈值，包括：
[0093]
根据电池储能装置的荷电状态，控制飞轮储能装置进入充电状态，以使直流母线的电压下降到不大于第二充电阈值，飞轮储能装置的第二充电功率和电池储能装置的第二充电功率的关系式为：
[0094][0095]
其中，p
fw_chr2
为城市轨道列车处于低峰期且直流母线的电压大于第二充电阈值时，飞轮储能装置的第二充电功率，p
b_chr2
为城市轨道列车处于高峰期且直流母线的电压大于第二充电阈值时，电池储能装置的第二充电功率，k为功率分配比例系数，p
s4
为将直流母线的电压降低至不大于第二充电阈值所需的第四需求功率，p
b_max
为电池储能装置的额定最大充放电功率。
[0096]
本实施例中，当直流母线的电压大于第二充电阈值时，控制飞轮储能装置和电池
储能装置进入充电状态，此时电池储能装置的充电量要按照预设的比例进行充电，即通过功率分配比例系数k控制电池储能装置的充电量，避免电池储能装置出现极端充电的情况，延长电池储能装置的寿命。
[0097]
在一些实施例中，在判断城市轨道列车是否处于低峰期之后，还包括：
[0098]
若城市轨道列车不处于低峰期，判断城市轨道列车是否处于非工作期；
[0099]
若是，控制飞轮储能装置进入放电状态；
[0100]
控制电池储能装置进入充电状态，以使飞轮储能装置进入放电状态产生的电能被电池储能装置吸收。
[0101]
本实施例中，由于飞轮储能装置待机损耗极高，在地铁夜间停运的情况下，能量流失均较为严重，当地铁系统处于非工作时间，通过电流内环控制，将飞轮储能装置中的剩余能量尽可能传输到电池储能装置中，实现对飞轮储能装置待机时能量损失的减少，同时可为次日飞轮储能装置提供能量。
[0102]
请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种基于飞轮储能的混合储能装置的结构示意图，应用于城市轨道列车的储能系统的处理器，储能系统还包括飞轮储能装置和电池储能装置，飞轮储能装置分别与电池储能装置和直流母线连接，且城市轨道列车中设置有制动电阻，制动电阻与直流母线连接，混合储能装置包括：
[0103]
低峰期判断模块201，用于判断城市轨道列车是否处于低峰期；
[0104]
电池储能装置控制模块202，用于若城市轨道列车处于低峰期，控制电池储能装置的充放电状态，以使直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值，第一放电阈值小于第一充电阈值；
[0105]
第二充电阈值判断模块203，用于判断直流母线的电压是否大于第二充电阈值，第二充电阈值大于第一充电阈值，且第二充电阈值小于制动电阻的启动阈值；
[0106]
飞轮储能装置控制模块204，用于若直流母线的电压大于第二充电阈值，控制飞轮储能装置进入充电状态，以使直流母线的电压下降到不大于第二充电阈值。
[0107]
在一些实施例中，还包括：
[0108]
高峰期判断模块，用于判断城市轨道列车是否处于高峰期；
[0109]
高峰期充放电控制模块，用于若城市轨道列车处于高峰期，根据飞轮储能装置的荷电状态，控制飞轮储能装置和电池储能装置的充放电状态，以使直流母线的电压不大于第一充电阈值且不小于第一放电阈值。
[0110]
在一些实施例中，高峰期充放电控制模块，包括：
[0111]
高峰期充电控制模块，用于当直流母线的电压大于第一充电阈值时，控制飞轮储能装置和电池储能装置进入充电状态，飞轮储能装置的第一充电功率和电池储能装置的第一充电功率的关系式为：
[0112][0113]
其中，p
fw_chr1
为城市轨道列车处于高峰期时，飞轮储能装置的第一充电功率，p
b_chr1
为城市轨道列车处于高峰期时，电池储能装置的第一充电功率，k为功率分配比例系数，p
s1
为将直流母线的电压降低至不大于第一充电阈值所需的第一需求功率，p
fw_max
为飞轮
储能装置的额定最大充放电功率；
[0114]
高峰期放电控制模块，用于当直流母线的电压小于第一放电阈值时，控制飞轮储能装置和电池储能装置进入放电状态，飞轮储能装置的放电功率和电池储能装置的放电功率的关系式为：
[0115][0116]
其中，p
fw_dis
为城市轨道列车处于高峰期时，飞轮储能装置的放电功率，p
b_dis
为城市轨道列车处于高峰期时，电池储能装置的放电功率，p
s2
为将直流母线的电压升高至不小于第一放电阈值所需的第二需求功率，p
fw_max
为飞轮储能装置的额定最大充放电功率。
[0117]
在一些实施例中，电池储能装置控制模块202，包括：
[0118]
低峰期充电控制模块，用于当直流母线的电压大于第一充电阈值时，控制电池储能装置进入充电状态，以使直流母线的电压下降到不大于第一充电阈值；
[0119]
低峰期放电控制模块，用于当直流母线的电压小于第一放电阈值时，控制电池储能装置进入放电状态，以使直流母线的电压升高到不小于第一放电阈值。
[0120]
在一些实施例中，还包括：
[0121]
低峰期充放电控制模块，用于根据电池储能装置的荷电状态，控制飞轮储能装置的充放电状态，以使在直流母线的电压不大于第一充电阈值且不小于第一放电阈值的情况下，飞轮储能装置的荷电状态在预设的快速响应荷电状态范围内，飞轮储能装置的充放电功率和电池储能装置的充放电功率的关系式为：
[0122][0123]
其中，p
fw
为城市轨道列车处于低峰期时，飞轮储能装置的充放电功率，pb为城市轨道列车处于低峰期时，电池储能装置的充放电功率，p
s3
为将直流母线的电压控制在不大于第一充电阈值且不小于第一放电阈值范围内所需的第三需求功率，pk为根据电池储能装置的荷电状态对飞轮储能装置的荷电状态进行控制的修正功率，e
fw
为飞轮储能装置的当前能量值，e
st
为飞轮储能装置的荷电状态在预设的快速响应荷电状态范围内时，飞轮储能装置的修正能量值。
[0124]
在一些实施例中，飞轮储能装置控制模块204，包括：
[0125]
低峰期飞轮充电控制模块，用于根据电池储能装置的荷电状态，控制飞轮储能装置进入充电状态，以使直流母线的电压下降到不大于第二充电阈值，飞轮储能装置的第二充电功率和电池储能装置的第二充电功率的关系式为：
[0126]
[0127]
其中，p
fw_chr2
为城市轨道列车处于低峰期且直流母线的电压大于第二充电阈值时，飞轮储能装置的第二充电功率，p
b_chr2
为城市轨道列车处于高峰期且直流母线的电压大于第二充电阈值时，电池储能装置的第二充电功率，k为功率分配比例系数，p
s4
为将直流母线的电压降低至不大于第二充电阈值所需的第四需求功率，p
b_max
为电池储能装置的额定最大充放电功率。
[0128]
在一些实施例中，还包括：
[0129]
非工作期判断模块，用于若城市轨道列车不处于低峰期，判断城市轨道列车是否处于非工作期；
[0130]
非工作期飞轮控制模块，用于若是，控制飞轮储能装置进入放电状态；
[0131]
非工作期电池控制模块，用于控制电池储能装置进入充电状态，以使飞轮储能装置进入放电状态产生的电能被电池储能装置吸收。
[0132]
对于本发明提供的一种基于飞轮储能的混合储能装置的介绍请参考上述实施例，本发明在此不做赘述。
[0133]
本发明还提供了一种城市轨道列车的储能系统，应用于城市轨道列车，城市轨道列车中设置有制动电阻，制动电阻与直流母线连接，储能系统包括：
[0134]
处理器，用于执行如上述的基于飞轮储能的混合储能方法的步骤；
[0135]
飞轮储能装置，飞轮储能装置分别与电池储能装置和直流母线连接；
[0136]
电池储能装置。
[0137]
具体请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种飞轮储能装置的结构示意图：整个飞轮储能装置包括飞轮305和逆变器307，其中，飞轮305包括飞轮转子304、轴承302、永磁同步电机303、真空室301等主要部件；逆变器307包含双向dc-ac(alternating current-alternating current，直流交流)变换器308与控制器306，其中控制器306通过飞轮转子304的转速可得出飞轮储能装置的荷电状态，通过合理控制其开关脉冲，可实现对永磁同步电机303的控制，进而控制飞轮储能系统能量的充放。
[0138]
在一些实施例中，通过能量管理系统和变流器控制系统两部分对城市轨道列车的储能系统进行控制，能量管理系统负责对储能系统充放电功率的分配，变流器控制系统包括对电池储能装置中的dcdc(direct current-direct current，直流直流)变换器中的igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)的开通关断占空比信号的给定，以及对飞轮储能装置中的双向dc-ac变换器308的svpwm(space vector pulse width modulation，空间矢量脉宽调制)控制信号的给出。具体的，因电池储能装置与飞轮储能装置并联，为实现稳定直流母线网压的功能，外环采用电压环控制，当直流母线上的电压达到制动电阻的启动阈值时，能量管理系统通过电压环控制来确定储能系统应该放电以抬升直流母线的电压，还是应该充电以降低直流母线的电压，并确定储能系统的充放电功率；内环采用电流环控制，根据电池储能装置和飞轮储能装置的控制特性，分别采用pwm(pulse width modulation，脉宽调制)以及svpwm控制，向电池储能装置发送电流电池内环指令值ib_ref，向飞轮储能装置发送飞轮电流内环指令值为ifw_ref，具体电流指令值将考虑列车运行发车间隔、储能元件各自工况包括电池soc以及飞轮转子转速等因素，并将通过功率分配策略具体评估实现。
[0139]
对于本发明提供的一种城市轨道列车的储能系统的介绍请参考上述实施例，本发
明在此不做赘述。
[0140]
具体实施例中，以永磁电机为模型，更改其转动惯量并限制转速范围，可模拟实际飞轮储能，通过识别其定子电流、机械角度、转速，通过dq变换，得到svpwm调制波实现飞轮储能装置控制，并根据转速变化和容量变化的关系，实现对飞轮储能装置的能量输出的控制。
[0141]
具体的，分别以120s、300s以及420s的发车间隔进行模拟测试，电池储能装置的容量配置为1.5mw，初始电荷状态为0.5，运行范围为0.2-9。结果如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种飞轮储能稳压效果对比图，可以明显看出，随着发车间隔的增大，列车运行模式从高峰期转换到低峰期，节能量和储能稳压率都有明显升高，可以看出由于列车间能量交互的减少，牵引制动能量余量增加。
[0142]
将原有1.5mw的电池储能装置改变为“电池和飞轮”的混合储能，发车功率为360s进行对比测试，以管庄变电站功率进行对比分析，请参考图5，图5为本发明实施例提供的一种管庄站变电站输出功率对比图，在单一电池储能模式下，变电站功率曲线为波动幅度较大的曲线，在120s时刻，列车牵引，变电站功率升高，因单一电池储能功率密度不足，无法维持其网压稳定，请参考图6，图6为本发明实施例提供的一种管庄站变电站电压对比图，管庄电压明显降低，列车制动工况同理。
[0143]
将原有单一电池储能系统换为“飞轮+电池”混合储能系统，再次仿真结果如图5、图6所示，与单一电池储能模型相比，列车牵引制动工况下，变电站功率均有不同程度的降低，其电压稳定性明显提升，在运行60s时刻，单一储能下列车制动产生的电压抬升在混合储能下有明显改善。
[0144]
该控制策略下锂电池充放次数降低，电荷状态范围保持较高范围，长久使用下对于电池寿命会有延长效果，需要通过长期实际使用进行验证。
[0145]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，目标计算机可读存储介质上储存有计算机程序，目标计算机程序被处理器执行时实现如上述的基于飞轮储能的混合储能方法的步骤。
[0146]
对于本发明提供的一种计算机可读存储介质的介绍请参考上述实施例，本发明在此不做赘述。
[0147]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0148]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应
认为超出本发明的范围。
[0149]
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。

技术特征：
1.一种基于飞轮储能的混合储能方法，其特征在于，应用于城市轨道列车的储能系统的处理器，所述储能系统还包括飞轮储能装置和电池储能装置，所述飞轮储能装置分别与所述电池储能装置和直流母线连接，且所述城市轨道列车中设置有制动电阻，所述制动电阻与所述直流母线连接，所述混合储能方法包括：判断所述城市轨道列车是否处于低峰期；若所述城市轨道列车处于所述低峰期，控制所述电池储能装置的充放电状态，以使所述直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值，所述第一放电阈值小于所述第一充电阈值；判断所述直流母线的电压是否大于第二充电阈值，所述第二充电阈值大于所述第一充电阈值，且所述第二充电阈值小于所述制动电阻的启动阈值；若所述直流母线的电压大于所述第二充电阈值，控制所述飞轮储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第二充电阈值。2.如权利要求1所述的基于飞轮储能的混合储能方法，其特征在于，在判断所述城市轨道列车是否处于低峰期之前，还包括：判断所述城市轨道列车是否处于高峰期；若所述城市轨道列车不处于所述高峰期，进入判断所述城市轨道列车是否处于低峰期的步骤；若所述城市轨道列车处于所述高峰期，根据所述飞轮储能装置的荷电状态，控制所述飞轮储能装置和所述电池储能装置的充放电状态，以使所述直流母线的电压不大于所述第一充电阈值且不小于所述第一放电阈值。3.如权利要求2所述的基于飞轮储能的混合储能方法，其特征在于，根据所述飞轮储能装置的荷电状态，控制所述飞轮储能装置和所述电池储能装置的充放电状态，包括：当所述直流母线的电压大于所述第一充电阈值时，控制所述飞轮储能装置和所述电池储能装置进入充电状态，所述飞轮储能装置的第一充电功率和所述电池储能装置的第一充电功率的关系式为：其中，p
fw_chr1
为所述城市轨道列车处于高峰期时，所述飞轮储能装置的第一充电功率，p
b_chr1
为所述城市轨道列车处于高峰期时，所述电池储能装置的第一充电功率，k为功率分配比例系数，p
s1
为将所述直流母线的电压降低至不大于所述第一充电阈值所需的第一需求功率，p
fw_max
为所述飞轮储能装置的额定最大充放电功率；当所述直流母线的电压小于所述第一放电阈值时，控制所述飞轮储能装置和所述电池储能装置进入放电状态，所述飞轮储能装置的放电功率和所述电池储能装置的放电功率的关系式为：
其中，p
fw_dis
为所述城市轨道列车处于高峰期时，所述飞轮储能装置的放电功率，p
b_dis
为所述城市轨道列车处于高峰期时，所述电池储能装置的放电功率，p
s2
为将所述直流母线的电压升高至不小于所述第一放电阈值所需的第二需求功率，p
fw_max
为所述飞轮储能装置的额定最大充放电功率。4.如权利要求1所述的基于飞轮储能的混合储能方法，其特征在于，控制所述电池储能装置的充放电状态，以使所述直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值，所述第一放电阈值小于所述第一充电阈值，包括：当所述直流母线的电压大于所述第一充电阈值时，控制所述电池储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第一充电阈值；当所述直流母线的电压小于所述第一放电阈值时，控制所述电池储能装置进入放电状态，以使所述直流母线的电压升高到不小于所述第一放电阈值。5.如权利要求1所述的基于飞轮储能的混合储能方法，其特征在于，在控制所述电池储能装置的充放电状态之后，还包括：根据所述电池储能装置的荷电状态，控制所述飞轮储能装置的充放电状态，以使在所述直流母线的电压不大于所述第一充电阈值且不小于所述第一放电阈值的情况下，所述飞轮储能装置的荷电状态在预设的快速响应荷电状态范围内，所述飞轮储能装置的充放电功率和所述电池储能装置的充放电功率的关系式为：其中，p
fw
为所述城市轨道列车处于低峰期时，所述飞轮储能装置的充放电功率，p
b
为所述城市轨道列车处于低峰期时，所述电池储能装置的充放电功率，p
s3
为将所述直流母线的电压控制在不大于所述第一充电阈值且不小于所述第一放电阈值范围内所需的第三需求功率，p
k
为根据所述电池储能装置的荷电状态对所述飞轮储能装置的荷电状态进行控制的修正功率，e
fw
为所述飞轮储能装置的当前能量值，e
st
为所述飞轮储能装置的荷电状态在预设的快速响应荷电状态范围内时，所述飞轮储能装置的修正能量值。6.如权利要求1所述的基于飞轮储能的混合储能方法，其特征在于，控制所述飞轮储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第二充电阈值，包括：根据所述电池储能装置的荷电状态，控制所述飞轮储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第二充电阈值，所述飞轮储能装置的第二充电功率和所述电池储能装置的第二充电功率的关系式为：其中，p
fw_chr2
为所述城市轨道列车处于低峰期且所述直流母线的电压大于所述第二充电阈值时，所述飞轮储能装置的第二充电功率，p
b_chr2
为所述城市轨道列车处于高峰期且所
述直流母线的电压大于所述第二充电阈值时，所述电池储能装置的第二充电功率，k为功率分配比例系数，p
s4
为将所述直流母线的电压降低至不大于所述第二充电阈值所需的第四需求功率，p
b_max
为所述电池储能装置的额定最大充放电功率。7.如权利要求1至6任一项所述的基于飞轮储能的混合储能方法，其特征在于，在判断所述城市轨道列车是否处于低峰期之后，还包括：若所述城市轨道列车不处于所述低峰期，判断所述城市轨道列车是否处于非工作期；若是，控制所述飞轮储能装置进入放电状态；控制所述电池储能装置进入充电状态，以使所述飞轮储能装置进入放电状态产生的电能被所述电池储能装置吸收。8.一种基于飞轮储能的混合储能装置，其特征在于，应用于城市轨道列车的储能系统的处理器，所述储能系统还包括飞轮储能装置和电池储能装置，所述飞轮储能装置分别与所述电池储能装置和直流母线连接，且所述城市轨道列车中设置有制动电阻，所述制动电阻与所述直流母线连接，所述混合储能装置包括：低峰期判断模块，用于判断所述城市轨道列车是否处于低峰期；电池储能装置控制模块，用于若所述城市轨道列车处于所述低峰期，控制所述电池储能装置的充放电状态，以使所述直流母线的电压不大于预设的第一充电阈值且不小于预设的第一放电阈值，所述第一放电阈值小于所述第一充电阈值；第二充电阈值判断模块，用于判断所述直流母线的电压是否大于第二充电阈值，所述第二充电阈值大于所述第一充电阈值，且所述第二充电阈值小于所述制动电阻的启动阈值；飞轮储能装置控制模块，用于若所述直流母线的电压大于所述第二充电阈值，控制所述飞轮储能装置进入充电状态，以使所述直流母线的电压下降到不大于所述第二充电阈值。9.一种城市轨道列车的储能系统，其特征在于，应用于城市轨道列车，所述城市轨道列车中设置有制动电阻，所述制动电阻与直流母线连接，所述储能系统包括：处理器，用于执行如权利要求1至7任一项所述的基于飞轮储能的混合储能方法的步骤；飞轮储能装置，所述飞轮储能装置分别与电池储能装置和所述直流母线连接；所述电池储能装置。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述目标计算机可读存储介质上储存有计算机程序，所述目标计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的基于飞轮储能的混合储能方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于飞轮储能的混合储能方法及相关组件，涉及飞轮储能领域，通过飞轮储能装置和电池储能装置共同构成储能系统，当城市轨道列车处于再生制动能量较大的低峰期时，先通过电池储能装置维持直流母线的电压的稳定，即将直流母线的电压维持在第一充电阈值和第一放电阈值之间，在保证直流母线无过大电压波动、供电可靠的同时，也保证了飞轮储能装置有足够的储能量；当直流母线的电压大于第二充电阈值，即出现较大的再生制动能量波动，储能量足够的飞轮储能装置可以吸收瞬间产生的较大的电能，以当避免制动电阻不必要的启动，最大程度回收再生制动能量。最大程度回收再生制动能量。最大程度回收再生制动能量。


技术研发人员：马兴 杨爽 陈咏涛 廖玉祥 陈爽 魏永鑫 张友强 董光德 付昂 朱小军 王瑞妙 刁传飞 杨中平 钟志宏 赵小娟 周敬森 朱晟毅
受保护的技术使用者：国网重庆市电力公司 国家电网有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/16