CN106230005B - 用于地铁供电网络的能量管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于地铁供电网络的能量管理方法及系统，所述供电网络并联连接有一储能设备，所述方法包括：采集系统状态信息，所述系统状态信息包括供电网络电压；当所述供电网络电压小于充电阈值电压时，进入充电状态，利用所述地铁供电网络中的能量给所述储能设备充电；当所述供电网络电压大于放电阈值电压时，进入放电状态，将所述储能设备中的能量释放到所述地铁供电网络中。本发明提供的实施例，通过控制储能设备根据系统状态对供电网络中的能量进行管理，在供电网络能量剩余时吸收供电网络的能量，在供电网络能量匮乏时向供电网络输出能量，可使供电网络保持稳定的电压，延长设备使用授权，而且还能节约能源。

Description

用于地铁供电网络的能量管理方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种用于地铁供电系统的能量管理方法及系统。

背景技术

城市轨道交通是城市公共交通体系的重要组成部分，具有运量大、安全、方便快捷等优点，常见的有地铁、轻轨等。其中地铁是城市轨道交通的典型代表，具有广泛的应用前景。而地铁一般由电机作为动力源进行牵引，电机在起动瞬间需要极大的供电电流，引起供电网络电压下跌；电机在制动状态下，会变为一台发电机，将机械能转化为电能送至供电网络，导致供电网络电压陡升。供电网络电压的陡升陡降会对设备及供电网产生极大威胁，因此需要采取一定的措施稳定电压。

现在很多厂家都采用电阻耗能的方式进行稳压，但电阻耗能只能防止电压陡升，无法解决电压陡降的问题，同时产生大量的热，需要大量的散热设备，而且还会造成能源浪费。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种用于地铁供电网络的能量管理方法及系统，克服现有技术中供电网络电压容易陡升陡降的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于地铁供电网络的能量管理方法，所述供电网络并联连接有一储能设备，所述方法包括：

采集系统状态信息，所述系统状态信息包括供电网络电压；

当所述供电网络电压小于充电阈值电压时，进入充电状态，利用所述地铁供电网络中的能量给所述储能设备充电；

当所述供电网络电压大于放电阈值电压时，进入放电状态，将所述储能设备中的能量释放到所述地铁供电网络中。

其中，所述利用所述地铁供电网络中的能量给所述储能设备充电的步骤包括：

根据各相电感电流计算负载率；

根据所述负载率控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电。

其中，所述系统状态信息还包括储能设备端口电压和各相电感电流；所述根据所述负载率控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电的步骤包括：

根据供电网络电压和储能设备端口电压计算电压外环输出量；

根据负载率和电压外环输出量计算对应桥臂的电流内环值；

根据负载率将各桥臂的电流内环值生成PWM充电控制脉冲，控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电。

其中，所述方法还包括：

当需要进行系统检修时，控制进入深度放电状态，将所述储能设备中的能量以平稳的电流放至所述地铁供电网络中，直至所述储能设备中没有电。

其中，所述方法还包括：

当检测到系统故障时，自动关机。

另外，本发明实施例还提供了一种用于地铁供电网络的能量管理系统，包括与供电网络并联的储能设备，所述系统还包括：

状态信息采集模块，用于采集系统状态信息，所述系统状态信息包括供电网络电压；

能量管理模块，用于当所述供电网络电压小于充电阈值电压时，进入充电状态，利用所述地铁供电网络中的能量给所述储能设备充电；当所述供电网络电压大于放电阈值电压时，进入放电状态，将所述储能设备中的能量释放到所述地铁供电网络中。

其中，所述能量管理系统还包括连接在所述储能设备与所述供电网络之间的三相IGBT桥臂，所述能量管理模块包括：

负载率计算模块，用于根据各相电感电流计算负载率；

充放电开关模块，用于根据所述负载率控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电或者通过所述储能设备向所述供电网络放电。

其中，所述系统状态信息还包括储能设备端口电压和各相电感电流；所述充放电开关模块进一步包括：

电压外环计算模块，用于根据供电网络电压和储能设备端口电压计算电压外环输出量；

电流内环计算模块，用于根据负载率和电压外环输出量计算对应桥臂的电流内环值；

驱动模块，用于根据负载率将各桥臂的电流内环值生成PWM充电控制脉冲，控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电或者通过所述储能设备向所述供电网络放电。

其中，所述能量管理模块还包括：

深度放电管理模块，用于当需要进行系统检修时，控制进入深度放电状态，将所述储能设备中的能量以平稳的电流放至所述地铁供电网络中，直至所述储能设备中没有电。

其中，所述储能设备是超级电容。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过在地铁供电网络中部署储能设备，控制储能设备根据系统状态对供电网络中的能量进行管理，在供电网络能量剩余时吸收供电网络的能量，在供电网络能量匮乏时向供电网络输出能量，可使供电网络保持稳定的电压，延长设备使用授权，而且还能节约能源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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。

图1是本发明提供的用于地铁供电网络的能量管理方法的流程图；

图2是图1所示能量管理方法中充电方法的优选实施例流程图；

图3是图1所示能量管理方法中放电方法的优选实施例流程图；

图4是本发明优选实施例提供的能量管理方法的开机准备步骤的流程图；

图5是本发明提供的用于地铁供电网络的能量管理系统的结构示意图；

图6是本发明提供的能量管理模块的优选实施例结构示意图；

图7是本发明提供的能量管理模块的另一优选实施例结构示意图；

图8是本发明一个优选实施例提供的用于地铁供电网络的能量管理系统的电路示意图；

图9是本发明一个优选实施例提供的状态机的示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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作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。

请参见图1，是本发明提供的用于地铁供电网络的能量管理方法的第一实施例流程图，该方法包括：

步骤S101、采集系统状态信息，所述系统状态信息包括供电网络电压。

步骤S102、判断所述供电网络电压是否小于充电阈值电压。

若步骤S102的判断结果为是，则执行步骤S103。步骤S103、进入充电状态，利用所述地铁供电网络中的能量给所述储能设备充电。然后返回步骤S101。

若步骤S102的判断结果为否，则执行步骤S104。步骤S104、判断所述供电网络电压是否大于放电阈值电压。

若步骤S104的判断结果为是，则执行步骤S105。步骤S105、进入放电状态，将所述储能设备中的能量释放到所述地铁供电网络中。然后返回步骤S101。

若步骤S104的判断结果为否，则直接返回步骤S101。此时供电网络电压处于充电阈值电压和放电阈值电压之间，处于相对稳定的状态，因此系统进入待机状态，可降低损耗。

虽然图1所示的实施例中，将步骤S102放在步骤S104之前，但这仅仅用于举例说明，而不用于限制。在本发明的其它实施例中，还可以将步骤S104放在步骤S102之前，或者这两个判断步骤同时执行。

本发明实施例提供的用于地铁供电网络的能量管理方法，通过在地铁供电网络中部署储能设备，控制储能设备根据系统状态对供电网络中的能量进行管理，在供电网络能量剩余时吸收供电网络的能量，在供电网络能量匮乏时向供电网络输出能量，可使供电网络保持稳定的电压，延长设备使用授权，而且还能节约能源。

在图1所示的能量管理方法中，步骤S103所述的充电方法还可以进一步包括：根据各相电感电流计算负载率；根据所述负载率控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电。通过针对不同的负载率来自动调节桥臂的工作数量，可以实现三相工作状态的自动调节，降低损耗。

请参见图2，是图1所示用于地铁供电网络的能量管理方法中步骤S103的充电方法的优选实施例的流程图，所述系统状态信息还包括储能设备端口电压和各相电感电流；该充电方法包括：

步骤S201、根据各相电感电流计算负载率。

步骤S202、根据供电网络电压和储能设备端口电压计算电压外环输出量。

步骤S203、根据负载率和电压外环输出量计算对应桥臂的电流内环值。

步骤S204、根据负载率将各桥臂的电流内环值生成PWM充电控制脉冲，控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电。

图2所示的方法实现了控制算法中电压外环与电流内环的物理解耦，保证系统多模式工作的稳定可靠。

同样地，在图1所示的能量管理方法中，步骤S105所述的放电方法还可以进一步包括：根据各相电感电流计算负载率；根据所述负载率控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相通过所述储能设备向所述供电网络放电。通过针对不同的负载率来自动调节桥臂的工作数量，可以实现三相工作状态的自动调节，降低损耗。

请参见图3，是图1所示用于地铁供电网络的能量管理方法中步骤S105的放电方法的优选实施例的流程图，所述系统状态信息还包括储能设备端口电压和各相电感电流；该放电方法包括：

步骤S301、根据各相电感电流计算负载率。

步骤S302、根据供电网络电压和储能设备端口电压计算电压外环输出量。

步骤S303、根据负载率和电压外环输出量计算对应桥臂的电流内环值。

步骤S304、根据负载率将各桥臂的电流内环值生成PWM放电控制脉冲，控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相通过所述储能设备向所述供电网络放电。

图3所示的方法实现了控制算法中电压外环与电流内环的物理解耦，保证系统多模式工作的稳定可靠。

请参见图4，是本发明实施例提供的用于地铁供电网络的能量管理方法的开机准备步骤的流程图，开机准备步骤包括：

步骤S401、接收开机指令后，采集系统状态信息。其中，所述系统状态信息包括故障信息。

步骤S402、根据所述故障信息判断是否存在系统故障。

若步骤S402的判断结果为是，则执行步骤S403。步骤S403、自动关机。

若步骤S402的判断结果为否，则执行步骤S404。步骤S404、控制进入软启动状态，给供电网络母线电容充电。

步骤S405、判断供电网络母线电容电压是否与供电网络的电压相同。

若步骤S405的判断结果为否，则返回执行步骤S404。

若步骤S405的判断结果为是，则执行步骤S406。步骤S406、判断储能设备端口电压是否小于阈值电压。

若步骤S406的判断结果为是，则执行步骤S407。步骤S407、控制进入预充电状态，以一恒定电流给储能设备充电。然后返回执行步骤S406。

若步骤S406的判断结果为否，则执行步骤S408。步骤S408、控制进入待机状态，在待机状态下，开始执行图1所示的步骤S101。当供电网络电压稳定时，进入待机模式可以降低损耗。

优选地，本方法还可以包括：当需要进行系统检修时，控制进入深度放电状态，将所述储能设备中的能量以平稳的电流放至所述地铁供电网络中，直至所述储能设备中没有电。然后，可以安全地对储能设备进行检修。

优选地，本方法还包括：若步骤S101中检测到故障信息，则自动关机，以避免造成更大损失。另外，当接收到关机指令时，也可以进入关机状态。

本发明实施例提供的用于地铁供电网络的能量管理方法，建立了多种工作模式，包括软启动、预充电、待机、充电、放电、深度放电、关机等，保障了各个工作模式下逻辑解耦，互不干扰，提高了系统稳定性，可维护性及安全性；在一个控制周期内实现三相交错并联的独立控制，实现了控制算法中电压外环与电流内环的物理解耦，保证系统多模式工作的稳定可靠；另外，还可以根据负载率的变化，解决三相是否需要同时工作，降低系统损耗。

请参见图5，是本发明提供的用于地铁供电网络的能量管理系统的第一实施例结构示意图。如图5所示，供电网络中连接有母线电容510，该能量管理系统包括：

储能设备520，与所述母线电容510并联。优选地，储能设备520是超级电容。

系统状态采集模块530，用于采集系统状态信息，所述系统状态信息包括供电网络电压。

能量管理模块540，用于在供电网络电压小于充电阈值电压时，控制进入充电状态，利用所述地铁供电网络中的能量给所述储能设备充电；在供电网络电压大于放电阈值电压时，控制进入放电状态，将所述储能设备中的能量释放到所述地铁供电网络中。当然，当供电网络电压处于充电阈值电压和放电阈值电压之间时，供电网络处于相对稳定的状态，因此能量管理模块540控制系统进入待机状态，可降低损耗。

本发明实施例提供的用于地铁供电网络的能量管理系统，通过在地铁供电网络中部署储能设备，控制储能设备根据系统状态对供电网络中的能量进行管理，在供电网络能量剩余时吸收供电网络的能量，在供电网络能量匮乏时向供电网络输出能量，可使供电网络保持稳定的电压，延长设备使用授权，而且还能节约能源。

图6是图1所示用于地铁供电网络的能量管理系统中能量管理模块540的优选实施例结构示意图。在该优选实施例中，储能设备520与母线电容510之间连接有三相IGBT桥臂。如图6所示，能量管理模块540包括：负载率计算模块610，用于根据各相电感电流计算负载率；充放电开关模块620，用于根据所述负载率控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备520进行充电或者通过所述储能设备520向供电网络放电。通过针对不同的负载率来自动调节桥臂的工作数量，可以实现三相工作状态的自动调节，降低损耗。

进一步地，所述系统状态信息还包括储能设备端口电压和各相电感电流，充放电开关模块620包括：

电压外环计算模块621，用于根据供电网络电压和储能设备端口电压计算电压外环输出量。

电流内环计算模块622，用于根据负载率和电压外环输出量计算对应桥臂的电流内环值。

驱动模块623，用于根据负载率将各桥臂的电流内环值生成PWM充电控制脉冲，控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备520进行充电或者通过所述储能设备520向供电网络放电。

图6所示的能量管理模块实现了控制算法中电压外环与电流内环的物理解耦，保证系统多模式工作的稳定可靠。

请参见图7，是本发明提供的能量管理模块的另一优选实施例结构示意图。如图7所示，能量管理模块540还包括：

开关机模块710，用于根据开关机指令执行开关机操作。

故障管理模块720，用于根据系统状态信息采集模块采集的故障信息判断是否存在系统故障，并在检测到系统故障时向开关机模块550发送关机指令。

软启动管理模块730，用于在系统上电开机后系统无故障时，控制系统进入软启动状态，给供电网络母线电容充电。

预充电管理模块740，用于在供电网络母线电容电压与供电网络的电压相同且储能设备端口电压小于阈值电压时，控制系统进入预充电状态，以一恒定电流给储能设备充电。

待机管理模块750，用于在供电网络母线电容电压与供电网络的电压相同且储能设备端口电压不小于阈值电压时，控制系统进入待机状态。当供电网络电压稳定时，进入待机模式可以降低损耗。

深度放电管理模块760，用于当需要进行系统检修时，控制系统进入深度放电状态，将所述储能设备中的能量以平稳的电流放至所述地铁供电网络中，直至所述储能设备中没有电。然后，可以安全地对储能设备进行检修。

图8是本发明一个优选实施例提供的用于地铁供电网络的能量管理系统的电路示意图。如图8所示，C1和C2是母线电容，S1-S12构成三相IGBT桥臂，能量管理模块540周围部署了各种系统状态信息采集电路，例如电压电流采样电路、母线电压采样电路、超级电容电压采样电路等。另外，图8中，将IGBT驱动模块放在了能量管理模块540的外部，这是因为驱动模块和能量管理模块540采用不同的芯片。

图9是本发明一个优选实施例提供的状态机的示意图，状态机控制系统在软启动、预充电、待机、充电、放电、深度放电、关机等状态之间进行灵活切换。

本发明实施例提供的用于地铁供电网络的能量管理系统，建立了多种工作模式，包括软启动、预充电、待机、充电、放电、深度放电、关机等，保障了各个工作模式下逻辑解耦，互不干扰，提高了系统稳定性，可维护性及安全性；在一个控制周期内实现三相交错并联的独立控制，实现了控制算法中电压外环与电流内环的物理解耦，保证系统多模式工作的稳定可靠；另外，还可以根据负载率的变化，解决三相是否需要同时工作，降低系统损耗。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种用于地铁供电网络的能量管理方法，其特征在于，所述地铁供电网络并联连接有一储能设备，所述方法包括：

采集系统状态信息，所述系统状态信息包括供电网络电压；

当所述供电网络电压大于充电阈值电压时，进入充电状态，利用所述地铁供电网络中的能量给所述储能设备充电；

当所述供电网络电压小于放电阈值电压时，进入放电状态，将所述储能设备中的能量释放到所述地铁供电网络中；

所述利用所述地铁供电网络中的能量给所述储能设备充电的步骤包括：

根据各相电感电流计算负载率；

根据所述负载率控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电；

所述系统状态信息还包括储能设备端口电压和各相电感电流；所述根据所述负载率控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电的步骤包括：

根据供电网络电压和储能设备端口电压计算电压外环输出量；

根据负载率和电压外环输出量计算对应桥臂的电流内环值；

根据负载率将各桥臂的电流内环值生成PWM充电控制脉冲，控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电。

2.如权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述方法还包括：

当需要进行系统检修时，控制进入深度放电状态，将所述储能设备中的能量以平稳的电流放至所述地铁供电网络中，直至所述储能设备中没有电。

3.如权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述方法还包括：

当检测到系统故障时，自动关机。

4.一种用于地铁供电网络的能量管理系统，其特征在于，包括与地铁供电网络并联的储能设备，所述系统还包括：

状态信息采集模块，用于采集系统状态信息，所述系统状态信息包括供电网络电压；

能量管理模块，用于当所述供电网络电压大于充电阈值电压时，进入充电状态，利用所述地铁供电网络中的能量给所述储能设备充电；当所述供电网络电压小于放电阈值电压时，进入放电状态，将所述储能设备中的能量释放到所述地铁供电网络中；

所述能量管理系统还包括连接在所述储能设备与所述地铁供电网络之间的三相IGBT桥臂，所述能量管理模块包括：

负载率计算模块，用于根据各相电感电流计算负载率；

充放电开关模块，用于根据所述负载率控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电或者通过所述储能设备向所述地铁供电网络放电；

所述系统状态信息还包括储能设备端口电压和各相电感电流；所述充放电开关模块进一步包括：

电压外环计算模块，用于根据供电网络电压和储能设备端口电压计算电压外环输出量；

电流内环计算模块，用于根据负载率和电压外环输出量计算对应桥臂的电流内环值；

驱动模块，用于根据负载率将各桥臂的电流内环值生成PWM充电控制脉冲，控制开启三相IGBT桥臂中的一相或三相给所述储能设备进行充电或者通过所述储能设备向所述地铁供电网络放电。

5.如权利要求4所述的能量管理系统，其特征在于，所述能量管理模块还包括：

深度放电管理模块，用于当需要进行系统检修时，控制进入深度放电状态，将所述储能设备中的能量以平稳的电流放至所述地铁供电网络中，直至所述储能设备中没有电。

6.如权利要求4所述的能量管理系统，其特征在于，所述储能设备是超级电容。