储能系统的控制系统、方法及储能系统与流程

1.本技术涉及电容储能控制技术领域，尤其涉及一种储能系统的控制系统、方法及储能系统。


背景技术：

2.在城市轨道交通供电系统中引入超级电容储能系统，将列车制动能量储存起来，供列车牵引时使用，不仅能够节能，而且有利于维持网压稳定，在城市轨道交通领域有广泛的应用空间。
3.现有的超级电容储能系统的控制策略，大多采用限流控制方式，在列车牵引时，随着速度的增加，列车所需的牵引功率也逐渐增大，而在限流控制下超级电容释放的功率随着电容电压的降低，也逐渐降低，导致无法为列车提供足够的牵引力；在列车制动阶段，随着列车速度的逐渐降低，列车的制动功率也逐渐减小，而在限流控制下超级电容吸收的功率随着电容电压的上升逐渐变大，与列车运行特性不符，无法到达理想的稳压和节能效果。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种储能系统的控制系统、方法及储能系统，提供了一种动态功率控制策略，提高了储能电容的稳压效果以及储能系统的能量利用率。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种储能系统的控制系统，所述控制系统包括：模式选择模块、电压闭环控制模块、动态限功控制模块、电流闭环控制模块和pwm调制模块；
6.其中，所述模式选择模块用于根据牵引供电网的电网电压确定储能系统的储能电容的工作模式和电压给定值；
7.所述电压闭环控制模块用于计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值，并根据所述电压偏差值确定电流控制值；
8.所述动态限功控制模块用于根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值，其中，所述电流限制值为所述储能电容的预设充放电功率与所述储能电容的端电压比值，所述预设充放电功率由充放电功率函数确定，所述充放电功率函数用于描述所述预设充放电功率和时间的对应关系；
9.所述电流闭环控制模块用于根据所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值，并根据所述电流偏差值获得调制波；
10.所述pwm调制模块用于根据所述调制波确定变流器控制脉冲，以根据所述控制脉冲控制所述储能电容在所述工作模式下的充放电电流。
11.可选地，所述动态限功控制模块，具体用于：
12.当所述电流控制值小于所述电流限制值时，确定所述电流控制值为所述电流给定值；
13.当所述电流控制值大于或等于所述电流限制值时，确定所述电流限制值为所述电流给定值；
14.其中，所述电流限制值的表达式为：i
sc_lim
(t)＝p
sc_lim
(t)/u
sc
(t)，p
sc_lim
(t)为t时刻的所述预设充放电功率，u
sc
(t)为t时刻所述储能电容的端电压。
15.可选地，所述控制系统还包括；
16.荷电状态限制模块，用于当所述储能电容的剩余电量高于第一电量阈值，或者低于第二电量阈值时，将所述电流给定值设置为0。
17.可选地，所述控制系统还包括：
18.电流给定值调整模块，用于在根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值之后，基于预设给定值调整关系式，根据所述储能电容的剩余电量调整所述电流给定值，以得到调整后的所述电流给定值；
19.相应的，所述电流闭环控制模块，具体用于：
20.根据调整后的所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值，并根据所述电流偏差值获得调制波。
21.可选地，所述预设给定值调整关系式为：
22.i
ref**
(t)＝i
ref*
(t)
×ksoc
23.其中，i
ref*
(t)为t时刻的所述电流给定值；i
ref**
(t)为调整后的所述电流给定值；当所述工作模式为充电模式时，k
soc
的表达式为：的表达式为：当所述工作模式为放电模式时，k
soc
的表达式为：其中，soc为所述储能电容的端电压与最大允许端电压的比值的平方。
24.可选地，所述模式选择模块，具体用于：
25.当所述电网电压大于所述储能电容的充电电压阈值，且小于最大允许网压时，确定所述储能电容的所述工作模式为充电模式，所述电压给定值为充电给定值；
26.当所述电网电压大于最小允许网压，且小于所述储能电容的放电电压阈值时，确定所述储能电容的所述工作模式为放电模式，所述电压给定值为放电给定值。
27.可选地，所述电压闭环控制模块包括电压偏差计算模块和电压pi调节模块；
28.其中，所述电压偏差计算模块用于计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值；
29.所述电压pi调节模块用于根据所述电压偏差值确定所述电流控制值，以实现所述电网电压的闭环控制。
30.可选地，所述充放电功率函数由以下表达式确定：
[0031][0032]
[0033][0034]
t0 δt≤t
max
[0035]
其中，t0为所述储能电容的控制周期；δt为所述储能电容的工作周期，其中，充电周期和放电周期均为0.5δt；c为所述储能电容的电容值；0为初始时刻，t∈(0，0.5δt)；u
sc
(t)为t时刻所述储能电容的端电压，初始时刻u
sc
(t)的值为u
sc0
；p
sc_lim
(t)为t时刻所述储能电容的预设充放电功率；r
es
为所述储能电容的内阻；r
ca
为所述储能电容的典型热阻；δt为所述储能电容在一个控制周期t0内的温度上升值；t0为初始时刻所述储能电容的温度；t
max
为所述储能电容的最高工作温度；i
rms
为所述储能的电流的有效值。
[0036]
第二方面，本技术还提供了一种储能系统的控制方法，该控制方法包括：
[0037]
经由模式选择模块，根据牵引供电网的电网电压确定储能系统的储能电容的工作模式和电压给定值；
[0038]
经由电压闭环控制模块，计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值，并根据所述电压偏差值确定电流控制值；
[0039]
经由动态限功控制模块，根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值，其中，所述电流限制值为所述储能电容的预设充放电功率与所述储能电容的端电压比值，所述预设充放电功率由充放电功率函数确定，所述充放电功率函数用于描述所述预设充放电功率和时间的对应关系；
[0040]
经由电流闭环控制模块，根据所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值，并根据所述电流偏差值获得调制波；
[0041]
经由pwm调制模块，根据所述调制波确定变流器控制脉冲，以根据所述控制脉冲控制所述储能电容在所述工作模式下的充放电电流。
[0042]
可选地，所述根据牵引供电网的电网电压确定储能系统的储能电容的工作模式和电压给定值，包括：
[0043]
当所述电网电压大于所述储能电容的充电电压阈值，且小于最大允许网压时，确定所述储能电容的所述工作模式为充电模式，所述电压给定值为充电给定值；
[0044]
当所述电网电压大于最小允许网压，且小于所述储能电容的放电电压阈值时，确定所述储能电容的所述工作模式为放电模式，所述电压给定值为放电给定值。
[0045]
可选地，所述电压闭环控制模块包括电压偏差计算模块和电压pi调节模块，所述计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值，包括：
[0046]
经由所述电压偏差计算模块，计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值；
[0047]
所述根据所述电压偏差值确定电流控制值，包括：
[0048]
经由所述电压pi调节模块，根据所述电压偏差值确定电流控制值，以实现所述电网电压的闭环控制。
[0049]
可选地，所述根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值，包括：
[0050]
当所述电流控制值小于所述电流限制值时，确定所述电流控制值为所述电流给定值；
[0051]
当所述电流控制值大于或等于所述电流限制值时，确定所述电流限制值为所述电
流给定值；
[0052]
其中，所述电流限制值的表达式为：i
sc_lim
(t)＝p
sc_lim
(t)/u
sc
(t)，p
sc_lim
(t)为t时刻的所述预设充放电功率，u
sc
(t)为t时刻所述储能电容的端电压。
[0053]
可选地，所述动态限功控制模块还包括荷电状态限制模块，所述控制方法还包括：
[0054]
经由所述荷电状态限制模块，当所述储能电容的剩余电量高于第一电量阈值，或者低于第二电量阈值时，将所述电流给定值设置为0。
[0055]
可选地，在根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值之后，还包括：
[0056]
基于预设给定值调整关系式，根据所述储能电容的剩余电量调整所述电流给定值，以得到调整后的所述电流给定值；
[0057]
相应的，所述根据所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值，包括：
[0058]
根据调整后的所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值。
[0059]
可选地，所述预设给定值调整关系式为：
[0060]iref**
(t)＝i
ref*
(t)
×ksoc
[0061]
其中，i
ref*
(t)为t时刻的所述电流给定值；i
ref**
(t)为调整后的所述电流给定值；当所述工作模式为充电模式时，k
soc
的表达式为：的表达式为：当所述工作模式为放电模式时，k
soc
的表达式为：其中，soc为所述储能电容的端电压与最大允许端电压的比值的平方。
[0062]
可选地，所述充放电功率函数由以下表达式确定：
[0063][0064][0065][0066]
t0 δt≤t
max
[0067]
其中，t0为所述储能电容的控制周期；δt为所述储能电容的工作周期，其中，充电周期和放电周期均为0.5δt；c为所述储能电容的电容值；0为初始时刻，t∈(0，0.5δt)；u
sc
(t)为t时刻所述储能电容的端电压，初始时刻u
sc
(t)的值为u
sc0
；p
sc_lim
(t)为t时刻所述储能电容的预设充放电功率；r
es
为所述储能电容的内阻；r
ca
为所述储能电容的典型热阻；δt为所述储能电容在一个控制周期t0内的温度上升值；t0为初始时刻所述储能电容的温度；t
max
为所述储能电容的最高工作温度；i
rms
为所述储能电容的电流的有效值。
[0068]
第三方面，本技术提供了一种储能系统，包括：储能电容和本技术任意实施例提供的储能系统的控制系统。
[0069]
第四方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如本技术任意实施例提供的储能系统的控制方法。
[0070]
本技术实施例提供的储能系统的控制系统、方法及储能系统，为基于储能电容的储能系统提供了一种功率控制策略，通过模式选择模块确定储能电容的工作模式和给定电压值，基于电压闭环控制模块实现牵引网电压的闭环控制，使其达到期望的给定电压值，同时经由电压闭环控制模块输出一个电流控制值，基于动态限功控制模块，根据预先设置的随着时间变化的预设充放电功率与储能电容的两端的端电压的比值得到储能电容的电流限制值，基于该电流限制值和电流控制值确定电流给定值，并经由电流闭环控制模块实现储能电容的电流的闭环控制，以使储能电容的电流达到期望的电流给定值，同时根据电流偏差值获得调制波；经由pwm调制模块根据电流闭环控制模块输出的调制波确定储能电容的变流器的控制脉冲，以根据该控制脉冲实现储能电容的充放电的控制。本技术实施例的技术方案实现了储能电容的功率的动态控制，使得储能电容在列车启动和制动阶段，均可以以合适的功率进行充放电，使得储能电容的功率曲线更加契合列车电制动特性，提高了储能电容的稳压性能和节能效果。
附图说明
[0071]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
[0072]
图1为本技术实施例提供的一种应用场景图；
[0073]
图2为本技术一个实施例提供的储能系统的控制系统的结构示意图；
[0074]
图3为本技术另一个实施例提供的储能系统的控制系统的结构示意图；
[0075]
图4是本技术图3所示实施例提供的一种超级电容储能系统及其控制系统的结构示意图；
[0076]
图5为本技术一个实施例提供的储能系统的控制方法的流程图；
[0077]
图6为本技术一个实施例提供的储能系统的结构示意图；
[0078]
图7为本技术一个实施例提供的电子设备的结构示意图。
[0079]
通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
[0080]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0081]
下面以具体地实施例对本技术的技术方案以及本技术的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本技术的实施例进行描述。
[0082]
下面对本技术实施例的应用场景进行解释：
[0083]
图1为本技术实施例提供的一种应用场景图，如图1所示，本技术实施例提供的储能系统为包括储能电容的储能系统，如超级电容，具体可以是轨道交通用超级电容储能系统。列车110在牵引供电网120的控制下于设定轨道130上按照预设模式进行运行，列车110的运行主要包括三个阶段：启动阶段、匀速行驶阶段和制动阶段。在启动阶段，列车110运行的典型特性为：初始阶段，牵引功率较小，随着列车110速度的不断增加，牵引功率也逐渐增大；在制动阶段，列车110运行的典型特性为：初始阶段，制动功率很大，随着列车速度的不断降低，制动功率也逐渐减小。为了提高能量的回收效率以及保证列车在各个阶段运行时电压的稳定性，需要设计一种储能系统140，以在列车制动时，回收制动能量，提高能量利用率，以及在列车启动时，为列车提供可靠的牵引力，以保证列车的顺利启动。而为了提高储能系统140的性能，需要为其设计相应的控制系统150，从而控制储能系统140的充电过程和放电过程，实现对制动能量的回收和为列车提供可靠的牵引力。
[0084]
然而，现有的储能系统的控制系统采用限流控制方式进行控制，即在列车牵引时，超级电容以恒流的方式向列车提供牵引能量；在列车制动时，超级电容以恒流的方式吸收列车制动能量。限流控制策略下的储能电容的功率特性与列车的功率特性的变化趋势相反，无法进行达到较好的稳压和节能效果。
[0085]
本技术提供的储能系统的控制系统的主要构思为：基于功率限制的控制方式，为储能系统提供一种动态功率控制策略，使得储能电容能够在其允许条件下尽可能保持较大的充放电功率，在有效稳定网电电压的同时提高能量利用率。
[0086]
图2为本技术一个实施例提供的储能系统的控制系统的结构示意图，如图2所示，本实施例提供的储能系统的控制系统包括：模式选择模块210、电压闭环控制模块220、动态限功控制模块230、电流闭环控制模块240和pwm调制模块250。
[0087]
其中，模式选择模块210用于根据牵引供电网的电网电压确定储能系统的储能电容的工作模式和电压给定值；电压闭环控制模块220用于计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值，并根据所述电压偏差值确定电流控制值；动态限功控制模块230用于根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值，其中，所述电流限制值为所述储能电容的预设充放电功率与所述储能电容的端电压比值，所述预设充放电功率由充放电功率函数确定，所述充放电功率函数用于描述所述预设充放电功率和时间的对应关系；电流闭环控制模块240用于根据所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值，并根据所述电流偏差值获得调制波；pwm调制模块250用于根据所述调制波确定变流器控制脉冲，以根据所述控制脉冲控制所述储能电容在所述工作模式下的充放电电流。其中，该储能系统的储能电容可以是超级电容。超级电容又称为电化学电容，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原电容电荷储存电能。在其储能的过程并不发生化学反应，且储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。储能电容可以由m
×
n个超级电容模块构成，m和n分别为超级电容模块的串、并联数，每个超级电容模块的功率均相同。该储能系统可以是轨道交通用的储能系统，如地铁列车的储能系统。牵引供电网的电网电压可以是1500v，也可以是其他电压值，具体由实际情况确定。电压给定值可以预先存储于模式选择模块中。
[0088]
具体的，该控制系统的各个模块可以集成于一个芯片中，也可以是一个集成电路。
模式选择模块可以是模式选择电路，由比较器构成；电压闭环控制模块可以是电压闭环控制电路，由电压偏差计算电路和第一pi控制器组成；功率控制模块可以是功率控制电路；电流闭环控制模块可以是电流闭环控制电路，由电流偏差计算电路和第二pi控制器组成。
[0089]
具体的，模式选择模块210可以由比较器组成，以将采集的牵引供电网的电网电压与预设的各个电压阈值进行比较，从而根据比较结果确定储能电容的工作模式和电压闭环控制模块220的电压给定值。
[0090]
可选地，模式选择模块210，具体用于：
[0091]
当所述电网电压大于所述储能电容的充电电压阈值，且小于最大允许网压时，确定所述储能电容的所述工作模式为充电模式，所述电压给定值为充电给定值；当所述电网电压大于最小允许网压，且小于所述储能电容的放电电压阈值时，确定所述储能电容的所述工作模式为放电模式，所述电压给定值为放电给定值。
[0092]
其中，电网电压的最大允许网压指的是牵引供电网所允许的电网电压的最大值，最小允许网压则为电网电压的最小值。充电电压阈值为储能电容工作的充电模式下的最小电压值。放电电压阈值为储能电容工作在放电模式下的最大电压值。
[0093]
具体的，当列车处于制动状态下，模式选择模块210输出的工作模式为充电模式；而当列车处于牵引或者启动状态下时，模式选择模块210输出的工作模式为放电模式；而当列车处于匀速行驶时，模式选择模块210输出的工作模式则为备用模式，其中，备用模式下储能电容既不放电也不充电。
[0094]
具体的，模式选择模块210实时检测牵引供电网的电网电压，并根据当前采集的电网电压所在的范围确定相应的工作模式和电压给定值。若电网电压u
dc
处于[u
char
，u
max
]区间，则确定工作模式为充电模式，电压给定值为u
char_ref
；若电网电压u
dc
处于(u
dis
，u
char
)区间，则确定工作模式为备用模式，此时储能电容既不充电也不放电；若电网电压u
dc
处于[u
min
，u
dis
]区间，则确定工作模式为放电模式，电压给定值为u
dis_ref
，其中，u
max
为最大允许网压，u
char
为充电电压阈值，u
dis
为放电电压阈值，u
min
为最小允许电压。
[0095]
示例性的，该储能系统可以是1500v电网电压的1mw包含超级电容的储能系统，其最大允许网压u
max
可以是1900v，充电电压阈值u
char
可以是1700v，放电电压阈值u
dis
可以是1600v，最小允许网压可以是1000v。
[0096]
具体的，电压闭环控制模块220可以是基于pid控制算法的闭环控制模块。
[0097]
具体的，电压闭环控制模块220可以是一个闭环控制电路，接收来自模式选择模块210的电压给定值，并基于该电压给定值与电网电压的差值，实现电网电压的闭环控制，以使电网电压跟踪该电压给定值，以稳定电网电压。电压闭环控制模块220可以由差值电路和控制器组成，差值电路用于计算电网电压和电压给定值的差值，控制器，可以是pi控制器、pid控制器或者其他控制器，以实现根据电网电压和电压给定值的差值确定相应的控制量，即后续动态限功控制模块230的电流控制值i
ref
，以控制电网电压保持在电压给定值附近，达到稳定状态。
[0098]
具体的，动态限功控制模块230用于接收电压闭环控制模块220的电流控制值i
ref
，并确定当前控制周期或者当前时刻的电流限制值i
sc_lim
，根据电流控制值i
ref
和电流限制值i
sc_lim
确定电流闭环控制模块240的电流给定值i
ref*
，其中，电流限制值i
sc_lim
的表达式为：i
sc_lim
(t)＝p
sc_lim
(t)/u
sc
(t)，其中，u
sc
(t)为t时刻储能电容两端的端电压，p
sc_lim
(t)为t时
刻储能电容的预设充放电功率。函数p
sc_lim
(t)即为预设充放电功率的充放电功率函数，由此可见，不同时刻对应的预设充放电功率可能不同，即该预设充放电功率是一个变化的功率或者动态功率，而并非是一个固定的功率值。
[0099]
进一步地，充放电功率函数p
sc_lim
(t)可以根据储能电容t时刻的温度、端电压和充放电电流确定。
[0100]
可选地，动态限功控制模块230，具体用于：
[0101]
当所述电流控制值小于所述电流限制值时，确定所述电流控制值为所述电流给定值；当所述电流控制值大于或等于所述电流限制值时，确定所述电流限制值为所述电流给定值；其中，所述电流限制值的表达式为：i
sc_lim
(t)＝p
sc_lim
(t)/u
sc
(t)，p
sc_lim
(t)为t时刻的所述预设充放电功率，u
sc
(t)为t时刻所述储能电容的端电压。
[0102]
具体的，电流给定值i
ref*
的表达式为：
[0103][0104]
其中，电流给定值i
ref*
(t)可以省略时间变量t简写为i
ref*
。
[0105]
具体的，当电压闭环控制模块220输出的电流控制值i
ref
小于电流限制值i
sc_lim
时，表示电压偏差值偏小，则表明当前电网电压与电压给定值较为接近，则无需触发功率限制控制，采用常规闭环控制，便可以实现稳压。而当电流控制值i
ref
大于或等于电流限制值i
sc_lim
时，表示电压偏差值偏大，需要通过预设充放电功率来进行功率控制，从而使得电网电压快速稳定于电压给定值，提高储能电容的稳压性能。
[0106]
具体的，电流闭环控制模块240接收来自动态限功控制模块230的电流给定值i
ref*
，同时实时检测储能电容的充放电电流i
sc
，并计算两者的差值，具体可以由差值电路实现，得到电流偏差值，并基于电流控制器，如pi控制器、pid控制器或者其他形式的控制器，根据该电流偏差值确定pwm调制模块的调制波，实现储能电容的充放电电流的闭环控制，使得该电流跟踪上述电流给定值，并保持稳定，并根据电流偏差值确定pwm调制模块250的调制波。进而根据pwm调制模块250输出的调制波与载波三角波相比较，得到开关管的控制脉冲。具体的，调制波幅值大于三角波时控制脉冲为高电平，调制波幅值小于三角波时控制脉冲为低电平。该控制脉冲即为储能电容的变流器的控制脉冲，从而变流器基于该控制脉冲控制储能电容以期望的功率向牵引供电网释放电能，以实现稳压功能。
[0107]
本技术实施例提供的储能系统的控制系统，为基于储能电容的储能系统提供了一种功率控制策略，通过模式选择模块确定储能电容的工作模式和给定电压值，基于电压闭环控制模块实现牵引网电压的闭环控制，使其达到期望的给定电压值，同时经由电压闭环控制模块输出一个电流控制值，基于动态限功控制模块，根据预先设置的随着时间变化的预设充放电功率与储能电容的两端的端电压的比值得到储能电容的电流限制值，基于该电流限制值和电流控制值确定电流给定值，并经由电流闭环控制模块实现储能电容的电流的闭环控制，以使储能电容的电流达到期望的电流给定值，同时根据电流偏差值获得调制波；经由pwm调制模块根据电流闭环控制模块输出的调制波确定储能电容的变流器的控制脉冲，以根据该控制脉冲实现储能电容的充放电的控制。本技术实施例的技术方案实现了储能电容的功率的动态控制，使得储能电容在列车启动和制动阶段，均可以以合适的功率进行充放电，使得储能电容的功率曲线更加契合列车电制动特性，提高了储能电容的稳压性
能和节能效果。
[0108]
图3为本技术另一个实施例提供的储能系统的控制系统的结构示意图，如图3所示，本实施例是在图2所示实施例的基础上，对电压闭环控制模块220进行进一步细化，以及增加了荷电状态限制模块和电流给定值调整模块，本实施例提供的储能系统的控制系统包括：模式选择模块310、电压偏差计算模块321、电压pi调节模块322、动态限功控制模块330、荷电状态限制模块340、电流给定值调整模块350、电流闭环控制模块360和pwm调制模块370。
[0109]
其中，模式选择模块310用于当所述电网电压大于所述储能电容的充电电压阈值，且小于最大允许网压时，确定所述储能电容的所述工作模式为充电模式，所述电压给定值为充电给定值，当所述电网电压大于最小允许网压，且小于所述储能电容的放电电压阈值时，确定所述储能电容的所述工作模式为放电模式，所述电压给定值为放电给定值；电压偏差计算模块321用于计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值；电压pi调节模块322用于根据所述电压偏差值确定所述电流控制值，以实现所述电网电压的闭环控制；动态限功控制模块330用于根据电流限制值和所述电流控制值确定电流给定值，其中，所述电流限制值为所述储能电容的预设充放电功率与所述储能电容的端电压比值，所述预设充放电功率由充放电功率函数确定，所述充放电功率函数用于描述所述预设充放电功率和时间的对应关系；荷电状态限制模块340，用于当所述储能电容的剩余电量高于第一电量阈值，或者低于第二电量阈值时，将所述电流给定值设置为0；电流给定值调整模块350用于在根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值之后，基于预设给定值调整关系式，根据所述储能电容的剩余电量调整所述电流给定值，以得到调整后的所述电流给定值；电流闭环控制模块360用于根据调整后的所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值，并根据所述电流偏差值获得调制波；pwm调制模块370用于根据所述调制波确定变流器控制脉冲，以根据所述控制脉冲控制所述储能电容在所述工作模式下的充放电电流。
[0110]
具体的，荷电状态限制模块340可以集成于动态限功控制模块330中。主要用于当储能电容的剩余电量或荷电状态(state of charge，soc)过高或者过低时，柔性切除储能电容，以防止储能电容过充或者过放，以保护储能电容。柔性切除可以使得储能系统退出牵引供电网时，避免产生冲击。
[0111]
具体的，电流给定值调整模块350用于接收荷电状态限制模块340输出的剩余电量soc，并基于预设给定值调整关系式和soc，对电流给定值进行调整。
[0112]
可选地，所述预设给定值调整关系式为：
[0113]iref**
(t)＝i
ref*
(t)
×ksoc
[0114]
其中，i
ref*
(t)为t时刻的所述电流给定值；i
ref**
(t)为调整后的所述电流给定值；当所述工作模式为充电模式时，k
soc
的表达式为：的表达式为：当所述工作模式为放电模式时，k
soc
的表达式为：其中，soc为所述储能电容的端电压
与最大允许端电压的比值的平方。
[0115]
其中，soc的表达式为：
[0116][0117]
通过参数k
soc
对电流给定值i
ref*
(t)进行调整，从而实现了当储能电容的soc过低(小于0.25)或者或高(为1)时，将给定电流值设置为0，从而将储能电容从列车的牵引供电网中切除，从而避免储能电容过充或过放。
[0118]
当然，上述soc的各个阈值仅作为示例，具体可以根据储能电容自身的性能确定，如0.25可以替换为0.2、0.15或者其他值，0.3可以替换为0.4、0.35或者其他值，0.95可以替换为0.9、0.85或者其他值，1可以替换为0.99、0.98或者其他值等。
[0119]
具体的，由于储能电容存在内阻，在其充放电的过程中，会产生温升从而限制储能电容的工作电流。为了同时兼顾储能电容的工作效率以及避免温度过高损坏超级电容，因此，储能电容需要采取间歇工作制的方式，如每以使得储能电容满足较大充放电功率需求的同时确保充放电电流的有效值满足温升限制。每个工作周期均需要根据储能电容自身的状态，如温度、充放电电流、端电压等，确定该工作周期对应的充放电功率函数p
sc_lim
(t)。
[0120]
可选地，所述充放电功率函数由以下表达式确定：
[0121][0122][0123][0124]
t0 δt≤t
max
[0125]
其中，t0为所述储能电容的控制周期；δt为所述储能电容的工作周期，其中，充电周期和放电周期均为0.5δt；c为所述储能电容的电容值；0为初始时刻，t∈(0，0.5δt)；u
sc
(t)为t时刻所述储能电容的端电压，初始时刻u
sc
(t)的值为u
sc0
；p
sc_lim
(t)为t时刻所述储能电容的预设充放电功率；r
es
为所述储能电容的内阻；r
ca
为所述储能电容的典型热阻；δt为所述储能电容在一个控制周期t0内的温度上升值；t0为初始时刻所述储能电容的温度；t
max
为所述储能电容的最高工作温度；i
rms
为所述储能电容的电流的有效值。
[0126]
需要了解的是，初始时刻也可以不是0而是其他时刻，如t1等。
[0127]
进一步地，在同一个控制周期t0内，p
sc_lim
(t)的值保持不变。
[0128]
进一步地，综合上述表达式，可得，充放电功率函数p
sc_lim
(t)应满足以下不等式：
[0129][0130]
具体的，储能电容的预设充放电功率可以取满足上述不等式的最小值，或者其他合适的值，可以由实际情况确定。
[0131]
具体的，储能电容在充电模式下和放电模式下对应的工作周期δt相同。控制周期
t0应当根据实际的线路情况进行取值。
[0132]
示例性的，以列车制动状态为例，此时储能电容工作于充电模式为例。储能系统采用间歇工作制，每120s(t0)工作30s(2δt)，充放电时间各为15s(δt)，故动态限功控制的周期t0设置为120s，即每过120s更新一次储能系统充放电功率的限制值p
sc_lim
。每个工作周期开始时，读出超级电容组的端电压u
sc0
和环境温度t0，然后利用上述公式解出该控制周期对应的充放电功率的限制值p
sc_lim
，最后利用实时监测的超级电容组端电压u
sc
(t)，即可算得该控制周期内各个时刻储能系统充放电电流的限制值i
sc_lim
(t)，从而实现动态限功控制。测得环境温度为20℃时，算得p
sc_lim
为0.56mw，可知此时超级电容状态较好，可以以较大的功率进行工作；当超级电容频繁的工作一段时间，温度上升至30℃时p
sc_lim
为0.47mw，超级电容温度较高时，应当适当的限制功率，避免温升问题。通过动态限功控制，综合考虑了列车运行时牵引供电网的状态和超级电容自身状态，使得超级电容储能系统能够在其允许条件下尽可能保持较大的充放电功率，保证超级电容正常工作的同时，最大限度利用超级电容。
[0133]
示例性的，图4是本技术图3所示实施例提供的一种超级电容储能系统及其控制系统的结构示意图，如图4所示，该超级电容储能系统400，包括牵引供电网410、变流器420和超级电容组430。牵引供电网410的电网电压等级为1500v，超级电容组430由48v超级电容模块经20串3并的方式组成，超级电容模块的典型热阻r
ca
为0.4℃/w，超级电容模块内阻r
es
为6mω，超级电容的电容值c为25f，超级电容的电压工作范围为450v～900v(soc：0.25～1)，允许工作温度为-40℃～65℃，额定工作电流为760a。该超级电容储能系统对应的控制系统500主要包括三个部分：模式选择部分510、双闭环控制部分520和pwm调制部分530。其中，模式选择部分510由上述模式选择模块310组成，用于根据实时检测的电网电压确定超级电容430的工作模式以及双闭环控制部分520的给定电压值；双闭环控制部分520包括电压外环部分521、动态限功控制部分522和电流内环部分523，用于基于动态限功控制实现pwm调制部分530的调制波的控制，从而控制超级电容430在确定的工作模式下进行充电或放电，以稳定电网电压；电压外环部分521由上述电压偏差计算模块321和电压pi调节模块322组成，根据网压反馈值(电网电压)和电压给定值的差值，实现电网电压的闭环控制，以稳定电网电压；动态限功控制部分522由上述动态限功控制模块330、荷电状态限制模块340和电流给定值调整模块350组成，以实现基于预设的动态功率控制储能电容的功率，得到电流内环部分523的电流给定值；电流内环部分523由电流闭环控制模块360组成，根据电流反馈值(超级电容430的充放电电流)和电流给定值的差值，实现电流的闭环控制，以控制pwm调制部分530(由pwm调制模块370组成)的调制波，从而控制超级电容430的变流器420的控制脉冲，实现超级电容430的功率控制，从而提高了超级电容430的充放电功率，使其符合列车的运行特性，同时提高了超级电容430的稳压性能。
[0134]
在本实施例中，通过为基于储能电容的储能系统提供一种基于功率控制的控制系统，实现了储能电容的动态功率控制，使得储能电容的功率特性与列车运行的功率特性相贴合，提高了储能系统的稳压性能和能量利用率。通过电压电流双闭环，提高了控制稳定性和精度，通过储能电容自身的参数，如内阻、工作温度、电压和电流等，确定该储能电容的预设充放电功率，从而保证储能电容正常工作的同时，最大限度利用储能电容，提高储能电容的工作效率和安全性；通过荷电状态限制模块以及电流给定值调整模块在储能电容的电量
过高或过低时，柔性断开储能电容与牵引供电网的连接，有效避免了储能电容的过充或过放，提高了储能电容的使用寿命。
[0135]
图5为本技术一个实施例提供的储能系统的控制方法的流程图，该控制方法可以由储能系统的控制系统执行，也可以由处理器执行。如图5所示，本实施例提供的储能系统的控制方法包括以下几个步骤：
[0136]
步骤s501，经由模式选择模块，根据牵引供电网的电网电压确定储能系统的储能电容的工作模式和电压给定值。
[0137]
步骤s502，经由电压闭环控制模块，计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值，并根据所述电压偏差值确定电流控制值。
[0138]
步骤s503，经由动态限功控制模块，根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值。
[0139]
其中，所述电流限制值为所述储能电容的预设充放电功率与所述储能电容的端电压比值，所述预设充放电功率由充放电功率函数确定，所述充放电功率函数用于描述所述预设充放电功率和时间的对应关系。
[0140]
步骤s504，经由电流闭环控制模块，根据所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值，并根据所述电流偏差值获得调制波。
[0141]
步骤s505，经由pwm调制模块，根据所述调制波确定变流器控制脉冲，以根据所述控制脉冲控制所述储能电容在所述工作模式下的充放电电流。
[0142]
可选地，所述根据牵引供电网的电网电压确定储能系统的储能电容的工作模式和电压给定值，包括：
[0143]
当所述电网电压大于所述储能电容的充电电压阈值，且小于最大允许网压时，确定所述储能电容的所述工作模式为充电模式，所述电压给定值为充电给定值；
[0144]
当所述电网电压大于最小允许网压，且小于所述储能电容的放电电压阈值时，确定所述储能电容的所述工作模式为放电模式，所述电压给定值为放电给定值。
[0145]
可选地，所述电压闭环控制模块包括电压偏差计算模块和电压pi调节模块，所述计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值，包括：
[0146]
经由所述电压偏差计算模块，计算所述电压给定值与所述电网电压的电压偏差值；
[0147]
所述根据所述电压偏差值确定电流控制值，包括：
[0148]
经由所述电压pi调节模块，根据所述电压偏差值确定电流控制值，以实现所述电网电压的闭环控制。
[0149]
可选地，所述根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值，包括：
[0150]
当所述电流控制值小于所述电流限制值时，确定所述电流控制值为所述电流给定值；
[0151]
当所述电流控制值大于或等于所述电流限制值时，确定所述电流限制值为所述电流给定值；
[0152]
其中，所述电流限制值的表达式为：i
sc_lim
(t)＝p
sc_lim
(t)/u
sc
(t)，p
sc_lim
(t)为t时刻的所述预设充放电功率，u
sc
(t)为t时刻所述储能电容的端电压。
[0153]
可选地，所述动态限功控制模块还包括荷电状态限制模块，所述控制方法还包括：
[0154]
经由所述荷电状态限制模块，当所述储能电容的剩余电量高于第一电量阈值，或者低于第二电量阈值时，将所述电流给定值设置为0。
[0155]
可选地，在根据电流限制值或所述电流控制值确定电流给定值之后，还包括：
[0156]
基于预设给定值调整关系式，根据所述储能电容的剩余电量调整所述电流给定值，以得到调整后的所述电流给定值；
[0157]
相应的，所述根据所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值，包括：
[0158]
根据调整后的所述电流给定值与所述储能电容的电流值确定电流偏差值。
[0159]
可选地，所述预设给定值调整关系式为：
[0160]iref**
(t)＝i
ref*
(t)
×ksoc
[0161]
其中，i
ref*
(t)为t时刻的所述电流给定值；i
ref**
(t)为调整后的所述电流给定值；当所述工作模式为充电模式时，k
soc
的表达式为：的表达式为：当所述工作模式为放电模式时，k
soc
的表达式为：其中，soc为所述储能电容的端电压与最大允许端电压的比值的平方。
[0162]
可选地，所述充放电功率函数由以下表达式确定：
[0163][0164][0165][0166]
t0 δt≤t
max
[0167]
其中，t0为所述储能电容的控制周期；δt为所述储能电容的工作周期，其中，充电周期和放电周期均为0.5δt；c为所述储能电容的电容值；0为初始时刻，t∈(0，0.5δt)；u
sc
(t)为t时刻所述储能电容的端电压，初始时刻u
sc
(t)的值为u
sc0
；p
sc_lim
(t)为t时刻所述储能电容的预设充放电功率；r
es
为所述储能电容的内阻；r
ca
为所述储能电容的典型热阻；δt为所述储能电容在一个控制周期t0内的温度上升值；t0为初始时刻所述储能电容的温度；t
max
为所述储能电容的最高工作温度。
[0168]
本技术实施例提供的储能系统的控制方法，为基于储能电容的储能系统提供了一种功率控制策略，通过模式选择模块确定储能电容的工作模式和给定电压值，基于电压闭环控制模块实现牵引网电压的闭环控制，使其达到期望的给定电压值，同时经由电压闭环控制模块输出一个电流控制值，基于动态限功控制模块，根据预先设置的随着时间变化的预设充放电功率与储能电容的两端的端电压的比值得到储能电容的电流限制值，基于该电流限制值和电流控制值确定电流给定值，并经由电流闭环控制电流实现储能电容的电流的
闭环控制，以使储能电容的电流达到期望的电流给定值，同时根据电流闭环控制电流输出的控制信号控制储能电容的整流器，以实现储能电容的充放电的控制。本技术实施例的技术方案实现了储能电容的功率的动态控制，使得储能电容在列车启动和制动阶段，均可以以合适的功率进行充放电，使得储能电容的功率曲线更加契合列车电制动特性，提高了储能电容的稳压性能和节能效果。
[0169]
图6为本技术一个实施例提供的储能系统的结构示意图，如图6所示，本实施例提供的储能系统包括：储能电容610和控制系统620。
[0170]
其中，储能电容610和控制系统620电气连接，储能电容610可以是一个或多个超级电容，控制系统620为本技术任意实施例提供的储能系统的控制系统，用于控制储能电容610充放电的功率。
[0171]
图7为本技术一个实施例提供的电子设备的结构示意图，如图7所示，本实施例提供的电子设备包括：存储器710和处理器720以及计算机程序。
[0172]
其中，计算机程序存储在存储器710中，并被配置为由处理器720执行以实现本技术图5所对应的实施例提供的储能系统的控制方法。
[0173]
其中，存储器710和处理器720通过总线730连接。
[0174]
相关说明可以对应参见图5的步骤所对应的相关描述和效果进行理解，此处不做过多赘述。
[0175]
本技术一个实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现本技术图5所对应的实施例提供的储能系统的控制方法。
[0176]
其中，计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
[0177]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0178]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的申请后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未申请的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
[0179]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求书来限制。