CN105398353B - 一种轨道交通机车电源系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轨道交通机车电源系统，包括给机车直接供电的直流母线，以及连接直流母线的机车直流负载，所述直流母线和机车直流负载之间设置有双向电源释放吸收装置。在轨道交通机车启动和制动时，起到平滑电网电压作用，减少轨道交通机车对电网的影响；在轨道交通机车制动时，可回收轨道交通机车在制动过程中的能量，提高能源利用效率，节能环保；在轨道交通机车因机车或电网供电故障时，可启动应急牵引，将机车牵引到安全位置，避免占用线路，提升运营效率和紧急故障处理能力；本方案在原有备用电源的基础上升级，占用空间小，减少工艺成本；可根据当前电池剩余容量，自动制定应急牵引方案，控制更加智能化。

Description

一种轨道交通机车电源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通机车电源管理领域，更具体地，涉及轨道交通机车电源系统及其控制方法。

背景技术

城市轨道交通机车有着频繁启停的特点，机车在启动过程中，需要短时很大的牵引功率，会造成附近的电网电压大幅波动；而在机车到站停车时，刹车制动多采用机械制动或者与机械制动相配合的能量回馈，能源利用率低，靠机械制动会产生大量的热量和噪声，若采用电阻制动方式，能量损失大；并且，目前还没有应急牵引措施，容易出现紧急事故后使线路上大规模暂停服务，出现故障只能拖走。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种减小电网电压波动、提高能量利用效率和具有故障应急能力的轨道交通机车电源系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种轨道交通机车电源系统，包括给机车直接供电的直流母线，以及连接直流母线的机车直流负载，所述直流母线和机车直流负载之间设置有双向电源释放吸收装置。

所述双向电源释放吸收装置包括设置在机车直流母线和直流负载之间的一路或两路控制供电方向的双向DC/DC，所述双向DC/DC和机车直流负载之间通过二极管连接，双向DC/DC还分别连接电池组和电池管理系统，所述电池管理系统分别通过通讯总线连接双向DC/DC。

所述直流母线还连接有机车牵引系统，所述机车牵引系统与双向DC/DC通过通讯总线连接。

所述直流母线还连接有机车辅助系统，所述机车辅助系统设有逆变器。

一种用于以上所述的轨道交通机车电源系统的控制方法，在以下状态下做相应处理：

Z1：在正常工作状态下，机车直流负载由直流母线直接供电，双向DC/DC与电池管理系统实时通讯，按照电池管理系统发送的充电信息请求接通直流母线来完成对电池组的充电，使电池组的容量在合理范围内；

Z2：当机车启动时，双向DC/DC监控直流母线上的电压，并接通电池组为机车提供部分牵引能量，当机车加速度减小到一定程度，直流母线电压回升到正常范围时，双向DC/DC停止通过电池组向直流母线提供电能；

Z3：当机车刹车制动时，双向DC/DC通过监控直流母线上的电压，吸收部分能量到电池组；

Z4：在直流母线出现中断供电时，整车发出应急牵引指令，电池管理系统根据当前电池组的剩余容量QS，计算出最佳的牵引速度和牵引时间供参考，电池组一方面给机车直流负载供电，另一方面通过双向DC/DC给车上直流母线供电，为机车提供牵引动力；

Z5：当供电网恢复供电后，电池管理系统给双向DC/DC发送充电信息，在相对短的时间对电池组进行充电，并将电池组的剩余电量控制在合理的范围内；

Z6：当电池系统出现故障时，电池管理系统通过双向DC/DC向整车发出相应的故障告警，并启动机车牵引系统，将机车牵引到安全位置。

所述电池管理系统发送的充电信息为电池当前状态下可继续充电的能量，该可继续充电的能量至少大于下一站制动回收能量值QBnmax；当可继续充电的能量到达下一站制动回收能量值时停止充电，可继续充电的能量=（QN－QS），其中QN为电池组总额定可存储能量，QS为电池组当前剩余能量，QBnmax为第N个站制动回收能量最大值。

所述电池管理系统根据机车传送的车站信息，存储每个站的启动能量范围QSNmin~QSNmax和制动能量范围QBNmin~QBNmax数据，其中QSNmin为第N个站的启动所需能量最小值，QSnmax第N个站的启动所需能量最大值；QBNmin第N个站的制动所反馈能量最小值，QBNmax第N个站的制动所反馈能量最大值。

所述电池组的剩余电量控制在合理的范围由每个站的启动能量范围、制动能量范围以及当前电池组电量得出。

所述牵引速度和牵引时间的由牵引功率计算得，其中牵引时间最短为最佳。

由机车当前的位置，计算出需要牵引的距离S，再由车辆提供的各速度下牵引功率曲线P（t，Vx），得到等式：QS= ∫P（t，Vx）*S/ Vx dt （1）

上式中，P（t，Vx）为机车在不同速度Vx下，各时刻机车的牵引功率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供一种轨道交通机车电源系统及其控制方法，在轨道交通机车启动和制动时，起到平滑电网电压作用，减少轨道交通机车对电网的影响；在轨道交通机车制动时，可回收轨道交通机车在制动过程中的能量，提高能源利用效率，节能环保；在轨道交通机车因机车或电网供电故障时，可启动应急牵引，将机车牵引到安全位置，避免占用线路，提升运营效率和紧急故障处理能力；本方案在原有备用电源的基础上升级，占用空间小，减少工艺成本；可根据当前电池剩余容量，自动制定应急牵引方案，控制更加智能化。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步详细描述。

实施例

如图1所示，一种轨道交通机车电源系统，包括连接城市电网系统的直流母线，直流母线给机车直接供电，机车直流负载连接直流母线由直流母线直接供电，本实施例在直流母线和机车直流负载之间设置双向电源释放吸收装置。双向电源释放吸收装置可在机车启动时，提供部分牵引功率，平滑电网波形；在刹车制动时吸收制动能量，提供能源利用效率；可提供牵引电源，将轨道机车低速运行一定距离，这样可避免轨道机车占用线路，提供一个应急处理的有效办法。

双向电源释放吸收装置包括两路连接于直流母线和机车直流负载之间的双向DC/DC，用于监控机车直流负载上的电压情况并作出供电方向的改变动作。所述双向DC/DC分别通过二极管连接机车直流负载，所述双向DC/DC和机车直流负载之间还分别设置有电池组和电池管理系统（下面简称BMS），所述BMS分别通过通讯总线连接双向DC/DC，BMS与双向DC/DC实时通讯，BMS实时监控电池组状态，并将各时刻电池组允许的充放电电流值发送给双向DC/DC。设置两路由双向DC/DC、电池组和电池管理系统组成的控制支路，起到冗余作用，保证车上负载可靠供电。每组电池各通过DC/DC与机车直流母线相连，在正常的工作过程中，车上负载由双向DC/DC连接直流母线供电，当电网断电时，机车进入应急模式时，BMS根据当前电池组的剩余电量，计算出合适的牵引速度和可牵引的距离，并将相关数据通过双向DC/DC发送给机车电池组一方面给车上负载供电，另一方面，通过双向DC/DC给车上直流母线供电，为机车提供牵引动力。

所述直流母线还连接有机车牵引系统和机车辅助系统，所述机车牵引系统与双向DC/DC通过通讯总线连接，在启动、断电和故障状态需要牵引时，启动机车牵引系统，由电池组供电，将机车牵引到合适位置上。机车辅助系统主要包括逆变器及其相关电路，为车上部分需要380v电压的设备将750v的直流电电压转变成380v电压。

上述轨道交通机车电源系统的控制方法为：

Z1：在正常工作状态下，机车直流负载由直流母线连接城市电网供电，并通过控制双向DC/DC来控制电池组的充放电，双向DC/DC与电池组BMS实时通讯，按照BMS发送的充电信息请求来完成对电池组的充电，保证电池组的剩余电量在合理范围内，即电池当前状态下可继续充电的能量（QN－QS）至少大于下一站制动回收能量QBnmax；其中QN为电池组总额定可存储能量，QS为电池组当前剩余能量，QBnmax为第N个站制动回收能量最大值。

其中，电池组的剩余电量控制在合理的范围由每个站的启动能量范围、制动能量范围以及当前电池组电量得出。BMS记录整个线路每个站点的充放电电流的大小并保存在BMS中，通过这些数据，结合车上的负载情况，BMS控制电池组的合理电量，保证在每个制动过程中的能量都能完全吸收，提供必要的应急负载供电电源和应急牵引能量。

具体的，BMS根据机车传送的车站信息，记录每个站的启动能量范围QSNmin~QSNmax和制动能量范围QBNmin~QBNmax数据，并将相关数据存储的BMS中；（其中QSNmin为第N个站的启动所需能量最小值，QSnmax第N个站的启动所需能量最大值；QBNmin第N个站的制动所反馈能量最小值，QBNmax第N个站的制动所反馈能量最大值）。

在机车平稳行驶过程中，BMS根据上述存储的相关数据，结合当前电池组的电量，适当调整电池组的剩余容量，使电池组的容量在最佳值附近，确保电池组能完全吸收下一次的制动能量。

Z2：当机车启动时，因为机车启动过程中，需要很大能量牵引，导致附近电网电压下降，双向DC/DC通过监控直流母线上的电压，由电池组为机车提供部分牵引能量，保证直流母线的电压稳定，当机车加速度减小到一定程度，电网电压回升到合理范围时，DC/DC停止通过电池组向直流母线提供电能；

Z3：当机车刹车时，因为有大量制动能量反馈到直流母线，直流母线上的电压会迅速上升，双向DC/DC通过监控直流母线上的电压，吸收部分能量到电池组，保证直流母线的电压稳定；

Z4：在供电网出现中断供电时，整车发出应急牵引指令，BMS根据当前电池组的剩余容量QS，计算出最佳的牵引速度和牵引时间供参考；此时，电池组一方面给机车直流负载供电，另一方面通过双向DC/DC给车上直流母线供电，为机车提供牵引动力。

根据机车当前的位置，即可计算出需要牵引的距离S，再者根据车辆提供的各速度下牵引功率曲线P（t，Vx），得到等式：

QS= ∫P（t，Vx）*S/ Vx dt ----------------------（1）

上式中，P（t，Vx）为机车在不同速度Vx下，各时刻机车的牵引功率；

根据上式（1）就可以得到合理的牵引速度和牵引时间。其中牵引时间最短为最佳。

Z5：当供电网恢复供电后，BMS给双向DC/DC发送相关充电信息，在相对短的时间对电池组进行充电，并将电池组的剩余电量控制在状态Z1所述的合理的范围内；

Z6：当电池系统出现故障时，BMS通过双向DC/DC向整车发出相应的故障告警，并启动机车牵引系统，将机车牵引到安全位置。

本实施例电池组采用可高倍率充放电锂电池（包括钛酸锂、磷酸铁锂、三元锂等），既是机车的备用电源，也可做特殊情况下的应急牵引电源，大大减小电源系统的空间；同时可以满足机车在牵引和制动时的大功率充放电要求；并解决用超级电容器储能装在能量回收过程中电压变化快，控制难度大的问题。

以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轨道交通机车电源系统的控制方法，其特征在于：在以下状态下做相应处理：

Z1：在正常工作状态下，机车直流负载由直流母线直接供电，双向DC/DC与电池管理系统实时通讯，按照电池管理系统发送的充电信息请求接通直流母线来完成对电池组的充电，使电池组的容量在合理范围内；

Z2：当机车启动时，双向DC/DC监控直流母线上的电压，并接通电池组为机车提供部分牵引能量，当机车加速度减小到一定程度，直流母线电压回升到正常范围时，双向DC/DC停止通过电池组向直流母线提供电能；

Z3：当机车刹车制动时，双向DC/DC通过监控直流母线上的电压，吸收部分能量到电池组；

Z4：在直流母线出现中断供电时，整车发出应急牵引指令，电池管理系统根据当前电池组的剩余容量QS，计算出最佳的牵引速度和牵引时间供参考，电池组一方面给机车直流负载供电，另一方面通过双向DC/DC给车上直流母线供电，为机车提供牵引动力；

Z5：当供电网恢复供电后，电池管理系统给双向DC/DC发送充电信息，在相对短的时间对电池组进行充电，并将电池组的剩余电量控制在合理的范围内；

Z6：当电池系统出现故障时，电池管理系统通过双向DC/DC向整车发出相应的故障告警，并启动机车牵引系统，将机车牵引到安全位置；

上述方法基于一种轨道交通机车电源系统实现，所述轨道交通机车电源系统包括给机车直接供电的直流母线，以及连接直流母线的机车直流负载，所述直流母线和机车直流负载之间设置有双向电源释放吸收装置；所述双向电源释放吸收装置包括设置在机车直流母线和直流负载之间的一路或两路控制供电方向的双向DC/DC，所述双向DC/DC和机车直流负载之间通过二极管连接，双向DC/DC还分别连接电池组和电池管理系统，所述电池管理系统分别通过通讯总线连接双向DC/DC；所述直流母线还连接有机车牵引系统，所述机车牵引系统与双向DC/DC通过通讯总线连接。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述直流母线还连接有机车辅助系统，所述机车辅助系统设有逆变器。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述电池管理系统发送的充电信息为电池当前状态下可继续充电的能量，该可继续充电的能量至少大于下一站制动回收能量值QBnmax；当可继续充电的能量到达下一站制动回收能量值时停止充电，可继续充电的能量=（QN－QS），其中QN为电池组总额定可存储能量，QS为电池组当前剩余能量，QBnmax为第N个站制动回收能量最大值。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述电池管理系统根据机车传送的车站信息，存储每个站的启动能量范围QSNmin~QSNmax和制动能量范围QBNmin~QBNmax数据，其中QSNmin为第N个站的启动所需能量最小值，QSnmax第N个站的启动所需能量最大值；QBNmin第N个站的制动所反馈能量最小值，QBNmax第N个站的制动所反馈能量最大值。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述电池组的剩余电量控制在合理的范围由每个站的启动能量范围、制动能量范围以及当前电池组电量得出。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述牵引速度和牵引时间的由牵引功率计算得，其中牵引时间最短为最佳。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：由机车当前的位置，计算出需要牵引的距离S，再由车辆提供的各速度下牵引功率曲线P（t，Vx），得到等式：

QS= ∫P（t，Vx）*S/ Vx dt （1）

上式中，P（t，Vx）为机车在不同速度Vx下，各时刻机车的牵引功率。