CN102201675A

CN102201675A - 地铁车辆制动能量回收与释放控制方法

Info

Publication number: CN102201675A
Application number: CN2011101077331A
Authority: CN
Inventors: 袁登科; 韦莉; 陈�胜; 沈小军; 奚笑东; 姚勇涛; 邓奇
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2011-09-28

Abstract

本发明涉及一种地铁车辆制动能量回收与释放控制方法，该控制方法包括工况辨识分析、储能装置待机能量水平动态管理、制动能量回收与释放底层控制。所述的工况辨识分析是要解决能量存储系统收放的时机与条件问题，是控制方法的基础。所述的储能装置待机能量水平动态管理是解决储能装置待机时应保持的能量水平，为下次电压补偿或再生制动能量存储做准备。所述的制动能量回收与释放底层控制方法，是控制方法的执行者，直接控制双向DC/DC变换器的能量流向及能量大小，该控制采用带PI环节的电流环恒频滑模控制，具有很好的快速性和一定的稳定性。与现有技术相比，本发明具有更快的动态响应速度，控制相对简单，可以更高效的利用制动能量实现节能减排的目的，同时对稳定牵引网电压、降低电磁污染、降低运营成本、减少制动电阻热损耗起到重要作用。

Description

地铁车辆制动能量回收与释放控制方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通车辆节能技术，特别是涉及基于车载超级电容储能装置的地铁车辆制动能量回收与释放控制方法。

背景技术

目前再生制动能量的回收主要分为耗散式、能馈式和储能式三种：

耗散式再生制动能量回收方式是通过电阻消耗多余的再生制动能量，在这种情况下，车辆的制动模式将从再生制动模式转化为辅以电阻制动的再生制动模式或者是单纯的电阻制动模式。耗散式再生制动能量装置按安装的地点可分为车载式和地面式。

能馈式再生制动能量回收方式是通过逆变装置将能量回馈至交流电网供其它用电设备使用，可以节约机车制动电阻能耗，减少地铁洞体温升并减少通风设备的能耗，是节约能源的一种再生制动能量回收利用方式

储能式再生制动能量回收方式是采用储能器回收多余的再生制动能量，可以抑制直流电网电压的升高；并且储存的能量在车辆加速启动的时刻释放出来，可以给电网提供电压支撑，防止电网电压跌幅过大，同时回收的能量得到了有效利用。

可用于回收再生制动能量的储能技术主要有：电池储能、飞轮储能、超导储能

和超级电容储能等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、快速、节能的地铁车辆制动能量回收与释放控制方法。

本发明的目的可以通过以下方案来实现：地铁车辆制动能量回收与释放控制方法。包括用于解决制动能量收放时机问题的工况辨识分析，储能装置待机能量水平动态管理，以及用于直接控制双向DC/DC变换器的制动能量回收与释放底层控制；

所述的工况辨识分析，通过判断牵引网电压信号以及车辆VCU中牵引/制动状态信号，来解决制动能量收放时机问题；当网压上升，达到或超过能量存储状态启动阈值（U_charge-up）时，双向DC/DC变换器工作在Buck模式，能量存储系统回收能量，尽量削减电压峰值，直至网压回落至正常范围或超级电容器组不能再存储能量为止；当网压下降，达到或低于能量释放状态启动阈值（U_{discharge-down}）时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，能量存储系统释放能量，尽量填补电压谷值，直至网压上升至正常范围或超级电容器组不能再释放能量为止。工况辨识可以分析电压下降的变化率大小来识别短路故障，当发生短路故障时，能量存储与变换装置立即脱离列车主电路进行自我保护。

所述的储能装置待机能量水平动态管理：当网压在U_charge-up与U_{discharge-down}之间波动时，能量存储系统处于待机状态，要求能量存储系统此时能自我调节超级电容器组储能水平，为下次电压补偿或再生制动能量存储做准备；

所述的制动能量回收与释放底层控制，采用带PI环节的电流环恒频滑模控制。当储能装置处于释放状态时，通过逐步增大电流给定值的办法来补偿网压的跌落，直至网压上升至正常范围或超级电容器组不能再释放能量为止。当储能装置处于回收状态时，采用电压闭环作为控制外环，电流闭环作为控制内环，控制外环给出控制内环的电流给定值，从而将网压控制在制动电阻动作电压阈值以下。

目前较为有效的滑模变结构恒频控制包括：基于等效控制理论的定频滑模控制方法(PWM-SMC)与基于给定三角波的定频滑模控制方法(RTW-SMC)。本发明采用基于给定三角波的定频滑模控制方法，并进一步改进，将给定三角波环路推广至双三角波环路，实现恒频控制并兼顾双向DC/DC变换器的Buck与Boost模式平滑切换。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明为基于车载储能装置的制动能量回收与释放控制方法，是基于车辆自身的脱离电网的能量回收与释放闭环系统，解决了地面级储能装置制动能量在线路流动时的损耗问题以及制动电流大环路范围流动时带来的电磁污染问题，真正实现了节能减排目的。同时，所述的储能装置待机能量水平动态管理，对储能系统有优化作用，可以最大化的有效利用储能器件，减小储能装置的体积和重量。同时，所述的制动能量回收与释放底层控制方法具有快速响应的特点，适合地铁车辆频繁的启动、制动过程。

附图说明

图1为本发明的实施例的示意图。

图2为工况辨识分析中电压阈值关系图。其中：U max：最高允许网压，U 0：电网空载电压，U min：最低允许网压，U charge：能量存储状态下工作阈值，U discharge：能量释放状态下工作阈值，U braking：车辆制动电阻工作阈值，U vehicle-regeneration：车辆再生制动能量平衡时网压典型值。

图3为工况辨识分析中能量回收状态流程图(a)、能量释放状态流程图(b)。

图4为储能装置待机能量水平动态管理流程图。

图中标号：1为地铁车辆牵引电气系统中的滤波器，2为制动电阻单元，3是车辆牵引单元，4为DC/AC牵引逆变器，5为交流牵引电机，6为车载储能装置与车辆牵引电气系统之间的接口电路（即双向DC/DC变换器），7为车载储能装置，8为车辆制动能量回收与释放控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

地铁车辆制动能量回收与释放控制方法，包括用于解决制动能量收放时机问题的工况辨识分析，储能装置待机能量水平动态管理，以及制动能量回收与释放底层控制方法。

所述的工况辨识分析中以接触网电压信号、车辆VCU单元中的牵引/制动状态信号作为参考信号。判断VCU中是牵引信号或制动信号，以及接触网电压低于某阈值或高于某阈值，通过逻辑判断，传递控制信号给能量回收或释放底层控制，并最终作用于双向DC/DC变换器。

所述的储能装置待机能量水平动态管理中用超级电容的端电压等效替代超级电容的SOC。当能量存储装置工作在待机状态时，能量存储系统此时能自我调节超级电容器组储能水平，为下次回收或释放制动能量作准备。

所述的制动能量回收与释放底层控制方法，采用带PI环节的电流环恒频滑模控制。该控制属于电流型控制，最终产生的是PWM信号，直接作用于双向DC/DC变换器，实现能量的双向流动。

本实施例为本发明在制动能量回收与释放控制过程中的应用：

如图1，图中给出了列车主电路简化框图和能量存储与变换装置的电气连接位置，说明本控制方法是针对车载形式的储能系统。地铁车辆牵引电气系统中的滤波器1一端连接供电网，另一端连接制动电阻单元2，车辆牵引单元3包括DC/AC牵引逆变器4和交流牵引电机5，车载储能系统通过双向DC/DC变换器6连接供电网，双向DC/DC变换器6连接车载储能装置7，双向DC/DC变换器6接收来车辆制动能量回收与释放控制模块8的PWM信号，车辆制动能量回收与释放控制模块8对待机能量水平进行动态监控和管理。该方法的最终目标是产生PWM信号控制双向DC/DC变换器的能量流动方向和能量大小。

如图2-图3，工况辨识中的最重要参考信号量是接触网电压，而牵引/制动状态信号可通过VCU直接获得。不同电压阈值直接关系着储能系统的状态，即能量回收或者能量释放。图2中已经对各电压阈值关系作了定性说明，还对各工作状态在整个U_max ~ U_min范围内作了划分。需说明的是，各状态会有部分区域空间上“交叠”，但这并不表示“交叠”处电压阈值有二义性，因为时间上并不“交叠”。因此在根据电压阈值判断能量存储系统处于哪种状态时，不仅要观察网压值的大小，还需观察网压变化历史。

首先对能量存储状态电压阈值与U_braking、U_{vehicle-regeneration}的大小关系进行说明，

即

Figure 2011101077331100002DEST_PATH_IMAGE001

Figure 2011101077331100002DEST_PATH_IMAGE003

如果排除外网电压波动影响，则网压超过空载电压U₀的主因是车辆制动，如此时恰好有其它车辆加速(即发生车辆再生制动能量平衡时)，则能量存储系统不必工作；但当不存在其它车辆加速时，网压会不断上升，则能量存储系统应在车辆制动电阻启动前工作，这样就可尽量不动用制动电阻而达到回收能量目的。根据U_{vehicle-regeneration}与U_braking具体大小，就可选定合适的U_charge-up值。需说明，如果U_charge-up值太靠近U_{vehicle-regeneration}，则可能会回收部分本应供给其它车辆加速的再生制动能量，但如太靠近U_braking，则可能会带来能量浪费，因此需综合考虑。当能量存储系统进入能量存储状态后，系统会不断存储能量以限制网压在U_charge上下波动，而当网压下降至U_{vehicle-regeneration}以下时，还应再监测网压一段时间，以确定网压非暂时性回落，直至网压再继续下降至U_charge-down以下后，再退出能量存储状态。根据以上方法，可给出如下关系：

由于能量释放状态比能量存储状态阈值关系简单，且基本原理与能量存储状态一致，在此不再赘述。图3(a)、图3（b）给出了能量回收状态与能量释放状态流程图。从图3(a)、图3（b）中可以看出，当达到超级电容器组容限时，需停止工作。此时关断充放电电流为渐变过程(而非瞬变过程)，这样既可减小对超级电容器组的冲击，也可解决因其内阻影响而充不满或放不完的问题，提高了超级电容器组利用率。

为解决收放能量的多少问题，采用不断增大或减小充放电电流的方法来解决，这种试探性的方法克服了收放能量多少难以事先确定的问题。另外，为尽量排除能量存储系统启动时本身对电网影响，采用在不满足增大充放电电流时不断减小电流以减弱能量存储系统对电网影响，逐步还原电网真实工况。

如图4，为应对下一次电压补偿与再生制动能量存储需要，能量存储系统待机时应维持在一定能量水平(采用U_cap-mean来间接反映待机能量水平)。当超级电容器组电压U_cap低于此值时，应小电流充电；反之应小电流放电(实际应用中可定义一阈值范围U_{cap-mean-down} ~ U_cap-mean-up，U_cap-mean为中间值，在此范围内则不需自调整)。在超级电容器组电压阈值关系上，应符合下式：

Figure 2011101077331100002DEST_PATH_IMAGE005

。

Claims

1.一种地铁车辆制动能量回收与释放控制方法，其特征在于具体步骤包括用于解决制动能量收放时机问题的工况辨识分析、储能装置待机能量水平动态管理，以及用于直接控制双向DC/DC变换器的制动能量回收与释放底层控制；

所述的工况辨识分析，通过判断牵引网电压信号以及车辆控制单元VCU中牵引/制动状态信号，来解决制动能量收放时机问题；当网压上升，达到或超过能量存储状态启动阈值U_charge-up时，双向DC/DC变换器工作在Buck模式，能量存储系统回收能量，尽量削减电压峰值，直至网压回落至正常范围或超级电容器组不能再存储能量为止；当网压下降，达到或低于能量释放状态启动阈值U_{discharge-down}时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，能量存储系统释放能量，填补电压谷值，直至网压上升至正常范围或超级电容器组不能再释放能量为止；

所述的制动能量回收与释放底层控制，采用带PI环节的电流环恒频滑模控制。

2.根据权利要求1所述的地铁车辆制动能量回收与释放控制方法，其特征在于，所述带PI环节的电流环恒频滑模控制，当储能装置处于能量释放状态时，通过逐步增大电流给定值的办法来补偿网压的跌落，直至网压上升至正常范围或超级电容器组不能再释放能量为止；当储能装置处于能量回收状态时，采用电压闭环作为控制外环，电流闭环作为控制内环，控制外环给出控制内环的电流给定值，从而将网压控制在制动电阻动作电压阈值以下。