CN107839700B - 轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法及装置，所述能量分配方法包括根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型；根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程；以及基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。本发明能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗。

Description

轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法及装置
技术领域
本发明涉及轨道交通能源领域，具体涉及一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法及装置。
背景技术
由于运行地形及区域的限制，非电气化轨道交通在现有的交通运行方式中仍占有很大比例，而其中的混合动力列车在电气化铁路由于其通过受电弓提供能量，并在非电气化铁路由柴油发电机组和储能电池系统共同构成混合动力系统提供能量的特性，成为了轨道交通中不可获取的运行动力系统之一。
目前，用于轨道交通的能量分配方法通常采用基于规则的逻辑门限控制方式，及根据预先设定的规则来选定不同工作模式，可以实现发电机组油耗的节省。
但应用上述的方式，柴电混合动力系统在不同工作模式切换过程中，很难使得发电机组始终运行在最佳油耗工作点，虽然当前的分配方式能够满足车辆牵引需求，但无法对混合动力系统功率分配进行能量管理优化，进而造成运行在轨道交通中的列车的能源浪费。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法及装置，能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法，所述能量分配方法包括：
根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型；
根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程；
以及，基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。
进一步地，所述根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型，包括：
根据所述柴油发电机组的万有特性，确定所述柴油发电机组的油耗与效率之间的关系，并建立所述柴油发电机组的动力包能量消耗子模型；
建立所述储能电池系统的能量消耗子模型；
对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，得到所述目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型。
进一步地，所述建立所述储能电池系统的能量消耗子模型包括：
分别建立所述储能电池系统中的动力电池功率损耗子模型和直流变换器DC-DC功率损耗子模型；
以及，将所述动力电池功率损耗子模型和所述直流变换器DC-DC功率损耗子模型进行组合，得到所述储能电池系统的能量消耗子模型。
进一步地，所述对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，得到所述目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型，包括：
对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，确定所述总能量消耗模型中的如公式一所述的目标函数F：
在公式一中，所述PDG_loss为所述动力包能量消耗子模型；Pbat_loss为所述动力电池功率损耗子模型；Pdcdc_loss为所述直流变换器DC-DC功率损耗子模型；N为整个工况离散的阶段数；k为离散阶段过程中的第k阶段；L为单阶段过程中功率损耗之和；Δt为单阶段过程中功率损耗所用时间；
以及，确定所述目标函数F的约束条件，得到包括所述目标函数F及其约束条件的所述总能量消耗模型。
进一步地，所述根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程，包括：
将储能电池系统的荷电状态作为动态规划方程中的状态变量x，并将所述柴油发电机组输出功率作为动态规划方程中的控制变量u；
建立如公式二所示的目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程：
在公式二中，V为所述目标柴电混合动力系统的全局总能量损耗；L(xi(k),uj(k))为所述总能量消耗模型F；M为电池SOC从荷电状态最小值SOCmin到荷电状态最大值SOCmax的离散度；i为第k阶段的电池SOC值的坐标；j为第k+1阶段SOC值的坐标。
进一步地，所述基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配，包括：
采集所述目标柴电混合动力系统运行在任一工况下的柴油发电机组输出功率和储能电池系统的荷电状态，其中，所述储能电池系统的荷电状态包括所述储能电池系统在该当前工况开始时的初始荷电状态和该当前工况结束时的结束荷电状态；
对所述储能电池系统在该当前工况开始时的初始荷电状态和该当前工况结束时的结束荷电状态进行离散，得到N个连续阶段，以及，对所述柴油发电机组输出功率进行离散；
根据所述储能电池系统在该当前工况开始时的初始荷电状态和该当前工况结束时的结束荷电状态的离散结果、和所述柴油发电机组输出功率的离散结果，基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，直到得到使得所述总能量消耗模型F的值最小时的所述控制变量的最优值；
以及，将所述控制变量的最优值作为所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和对应的储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。
进一步地，所述目标函数F的约束条件包括：柴油发电机组物理约束条件、储能电池系统的功率约束条件、储能电池系统的容量约束条件、储能电池系统的电流倍率约束条件。
第二方面，本发明提供一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配系统，所述能量分配系统包括：
总能量消耗模型获取单元，用于根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型；
动态规划方程建立单元，用于根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程；
能量分配单元，用于基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述能量分配方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述能量分配方法的步骤。
由上述技术方案可知，本发明提供的一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法及装置，所述能量分配方法包括根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型；根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程；以及基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。本发明能够使得柴电混合列车在运行工况下的柴电混合动力系统的损耗最小，并能够保证柴电混合动力系统中各元件均工作在安全可靠范围内，能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗，并节省了柴电混合动力系统的运行成本。
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是柴电混合动力系统的拓扑结构示意图；
图2是本发明的一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法的流程示意图；
图3是本发明的能量分配方法中步骤100的流程示意图；
图4是本发明的能量分配方法中步骤200的流程示意图；
图5是本发明的能量分配方法中步骤300的流程示意图；
图6是本发明的应用实例中动态规划算法的多阶段优化控制示意图；
图7是本发明的应用实例中的动态规划算法求解动态规划方程的过程示意图；
图8是本发明的一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配系统的结构示意图；
图9是本发明的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，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。针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法及装置，可以理解的是，所述柴电混合动力系统通常应用在混合动力列车中，且柴电混合动力系统的拓扑结构一般如图1所示，包括柴油发电机组和由功率电池模块组成的储能电池系统，以及与其相连的电能变换拓扑电路包括单相AC/DC电源变换器和双向DC/DC电源变换器，还包括车载辅助模块和机械传动模块。以及与机械传动模块连接的电动机M1、与车载辅助模块连接的地面供电系统APS。本发明通过建立总能量消耗模型；将得到的总能量消耗模型作为优化目标，采用贝尔曼动态规划理论的全局最优控制方法，根据列车具体运行工况和储能电池系统始末状态，寻求实现油耗最佳的控制路径，从而能够对轨道交通的柴电混合动力系统进行高效且准确的能量分配优化，使得柴电混合列车在运行工况下的柴电混合动力系统的损耗最小，并能够保证柴电混合动力系统中各元件均工作在安全可靠范围内，能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗。
本发明的实施例一提供了一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法的具体实施方式，参见图2，所述轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法具体包括如下内容：
步骤100：根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型。
在步骤100中，柴电混合动力系统的能量分配设备中的总能量消耗模型获取单元根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型。可以理解的是，通过分析柴油发电机组的万有特性，得到发电机组油耗与效率之间的关系，进而得到动力包能量消耗子模型；并通过储能电池系统充放电能耗分析，得到储能电池系统的能量消耗子模型。其中，动力包能量损耗功率为柴油发电机组输出功率与发动机工作点下单位油耗功率之差；且储能电池系统的能量消耗包括：将锂离子电池电能变换为直流电的电能变换拓扑电路(DC/DC)损耗，以及锂离子电池的充放电损耗。
可以理解的是，根据动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型的具体方式可以通过将动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，这里所述的加和处理为动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型的模型等式的左边进行加和。
步骤200：根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程。
在步骤200中，在得到所述总能量消耗模型之后，将所述目标柴电混合动力系统的总能量消耗最小最为所述能够分配的目标，也就是说，求得所述总能量消耗模型的最小值即为后续计算的目标，根据该计算的目标，柴电混合动力系统的能量分配设备中的动态规划方程建立单元根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程。可以理解的是，所述动态规划方程(DynamicProgrammingEquation)由理查·贝尔曼(RichardBellman)发现，且贝尔曼方程是动态规划这种数学最佳化方法能够达到最佳化的必要条件，通过将“决策问题在特定时间点的值”以“来自初始选择的报酬及由初始选择衍生的决策问题的值”的形式表示，藉这个方式将动态最佳化问题变成较简单的子问题，而这些子问题遵守由贝尔曼所提出的“最佳化原理”。在本实施例中，所述动态规划方程中的状态变量为储能电池系统的荷电状态、且控制变量为柴油发电机组输出功率。
步骤300：基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。
在步骤300中，在确定所述目标柴电混合动力系统的总能量消耗最小最为所述能够分配的目标、并建立了所述总能量消耗模型的动态规划方程后，所述柴电混合动力系统的能量分配设备中的能量分配单元基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。即采用贝尔曼动态规划理论的全局最优控制方法，根据列车具体运行工况和储能电池系统始末状态，寻求实现油耗最佳的控制路径，从而实现混合动力系统的能量分配策略优化。其中，全局最优控制方法可以选用全局最优化算法(Global Optimization Tool)，具体可以应用(GlobalSearch)全局搜索和(MultiStart)多起点方法产生若干起始点，然后它们用局部求解器去找到起始点的最优点。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法，能够对轨道交通的柴电混合动力系统进行高效且准确的能量分配优化，使得柴电混合列车在运行工况下的柴电混合动力系统的损耗最小，并能够保证柴电混合动力系统中各元件均工作在安全可靠范围内，能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗。
在一种具体实施方式中，还公开了上述轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法中步骤100的具体实施方式，参见图3，所述步骤100具体包括如下内容：
步骤101：根据所述柴油发电机组的万有特性，确定所述柴油发电机组的油耗与效率之间的关系，并建立所述柴油发电机组的动力包能量消耗子模型。
在步骤101中，所述柴油发电机组的动力包能量消耗子模型PDG_loss如下述公式三所示：
PDG_loss＝mfuel×Qfuel-PDG 公式三
在公式三中，mfuel为发动机瞬时燃油消耗率；Qfuel为燃油热值；PDG为柴油发电机组输出功率。
步骤102：建立所述储能电池系统的能量消耗子模型。
在步骤102中，所述储能电池系统的能量消耗子模型包括：如公式四所示的所述储能电池系统中的动力电池功率损耗子模型Pbat_loss和如公式五所示的直流变换器DC-DC功率损耗子模型Pdc_dc；
Pbat_loss＝I2 bat×Rbat 公式四
Pdc_dc＝(1-η)Pbat 公式五
在公式四和公式五中，Ibat为储能电池模块输出电流；Rbat为储能电池模块等效内阻；Pbat为储能电池模块输出功率(Pbat可正可负，正代表电池放电，负代表给电池充电)；η为DC-DC工作效率。
步骤103：对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，得到所述目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型。
在步骤103中，首先确定所述总能量消耗模型中的如公式一所述的目标函数F：
在公式一中，所述PDG_loss为所述动力包能量消耗子模型；Pbat_loss为所述动力电池功率损耗子模型；Pdcdc_loss为所述直流变换器DC-DC功率损耗子模型；N为整个工况离散的阶段数；k为离散阶段过程中的第k阶段；L为单阶段过程中功率损耗之和；Δt为单阶段过程中功率损耗所用时间。
然后确定所述目标函数F的约束条件，得到包括所述目标函数F及其约束条件的所述总能量消耗模型，其中，所述目标函数F的约束条件包括：柴油发电机组物理约束条件、储能电池系统的功率约束条件、储能电池系统的容量约束条件、储能电池系统的电流倍率约束条件；其中，全部的约束条件如公式六所示：
在公式六中，ωDG和TDG为动力包转速和转矩，均受到发动机和发电机的物理限制；PDG,min为柴油发电机组最小输出功率；PDG,max为柴油发电机组最大输出功率；Pbat,min为储能电池组最小充电功率；Pbat,max为储能电池组最大充电功率；Sbat,min为储能电池系统中电池组最低电量，Sbat,max为储能电池系统中电池组最高电量；SOCbat,min为储能电池系统中电池组SOC下限，SOCbat,max为储能电池系统中电池组SOC上限；Cchar,high为储能电池系统中电池组充电电流倍率上限，Cdischar,high为储能电池系统中电池组放电电流倍率上限。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法，通过总能量消耗模型的快速且可靠的建立，为后续分配提供了准确的数据基础，能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗。
在一种具体实施方式中，还公开了上述轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法中步骤200的具体实施方式，参见图4，所述步骤200具体包括如下内容：
步骤201：将储能电池系统的荷电状态作为动态规划方程中的状态变量x，并将所述柴油发电机组输出功率作为动态规划方程中的控制变量u；
步骤202：建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程，如公式二所示,：
在公式二中，V为所述目标柴电混合动力系统的全局总能量损耗；L(xi(k),uj(k))为所述总能量消耗模型F；i＝1:1:length(x(k))；j＝1:1:length(u(k))；M为电池SOC从荷电状态最小值SOCmin到荷电状态最大值SOCmax的离散度；i为第k阶段的电池SOC值的坐标；j为第k+1阶段SOC值的坐标。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法，使得柴电混合列车在运行工况下的柴电混合动力系统的损耗最小，并能够保证柴电混合动力系统中各元件均工作在安全可靠范围内。
在一种具体实施方式中，还公开了上述轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法中步骤300的具体实施方式，参见图5，所述步骤300具体包括如下内容：
步骤301：采集所述目标柴电混合动力系统运行在任一工况下的柴油发电机组输出功率和储能电池系统的荷电状态，其中，所述储能电池系统的荷电状态包括所述储能电池系统在该当前工况开始时的初始荷电状态和该当前工况结束时的结束荷电状态。
步骤302：对所述储能电池系统在该当前工况开始时的初始荷电状态和该当前工况结束时的结束荷电状态进行离散，得到N个连续阶段，以及，对所述柴油发电机组输出功率进行离散。
步骤303：根据所述储能电池系统在该当前工况开始时的初始荷电状态和该当前工况结束时的结束荷电状态的离散结果、和所述柴油发电机组输出功率的离散结果，基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，直到得到使得所述总能量消耗模型F的值最小时的所述控制变量的最优值。
在步骤302和303中，首先离散储能电池系统SOC为状态变量x，离散发电机组输出功率为控制变量u，单步代价函数为k-1阶段到k阶段的混合动力系统总能量损耗L，根据贝尔曼最优性原理，求解态规划方程，得到全局总能量损耗V最小的控制变量u即为取得柴电混合动力系统的燃油经济性最佳控制策略。
步骤304：将所述控制变量的最优值作为所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和对应的储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法，能够对轨道交通的柴电混合动力系统进行高效且准确的能量分配优化，能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗。
为进一步的说明本方案，本发明还提供一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法的应用实例，具体包括如下内容：
柴油发电机组作为在无网区域持续动力源，可以提供列车所需的平均功率，储能电池系统匹配需求功率中快速波动的部分并可以吸收制动能量，从而保证列车牵引加速时对动力系统的功率需求，同时还能满足车辆长距离牵引的能量需求。发挥柴油发电机组和储能电池系统各自的长处来匹配轨道交通动力系统的功率需求和能量需求，既可以实现柴油发电机组燃油经济性的提升，也可以提高储能电池系统的运行效率和使用寿命，解决了单一动力元件特性受限的问题，实现了能量高效利用的目标。
因此，从能量需求和功率需求的角度考虑，以柴油发电机组和储能电池构成的混合动力系统是解决轨道交通列车运行在无网区域时动力系统功率和能量矛盾问题的最佳方案，为充分实现列车燃油经济性的目标，需要对混合动力系统功率分配做能量管理优化，在匹配车辆牵引需求的同时最大程度的降低列车能量损耗。
所述轨道交通用柴电混合动力系统的功率分配方法，实现燃油经济性最佳控制方法模型如下，
目标：混合动力系统总能量损耗：
对于混合动力系统来说，其能量损耗中既有动力包能量损耗，又有储能电池系统能量损耗，两者相加即为混合动力系统总能量损耗。其中，动力包功率损耗PDG_loss＝mfuel×Qfuel-PDG，动力电池功率损耗Pbat_loss＝I2 bat×Rbat，直流变换器DC-DC功率损耗Pdc_dc＝(1-η)Pbat。
式中，mfuel为发动机瞬时燃油消耗率；Qfuel为燃油热值；PDG为柴油发电机组输出功率；Ibat为储能电池模块输出电流；Rbat为储能电池模块等效内阻；Pbat为储能电池模块输出功率(Pbat可正可负，正代表电池放电，负代表给电池充电)；η为DC-DC工作效率；所述PDG_loss为所述动力包能量消耗子模型；Pbat_loss为所述动力电池功率损耗子模型；Pdcdc_loss为所述直流变换器DC-DC功率损耗子模型；N为整个工况离散的阶段数；k为离散阶段过程中的第k阶段；L为单阶段过程中功率损耗之和；Δt为单阶段过程中功率损耗所用时间。
通常混合动力系统功率分配问题主要考虑的约束条件有柴油发电机组物理约束条件和储能电池系统功率以及容量约束条件，本发明进一步加上储能电池系统电流倍率约束条件。具体的约束条件如下，
柴油发电机组转速，转矩以及功率约束：
式中：ωDG和TDG为动力包转速和转矩，均受到发动机和发电机的物理限制；PDG,min为柴油发电机组最小输出功率；PDG,max为柴油发电机组最大输出功率。
储能电池组系统功率约束：
Pbat,min≤Pbat(t)≤Pbat,max
式中：Pbat,min为储能电池组最小充电功率；Pbat,max为储能电池组最大充电功率。
储能电池系统电量约束：
Sbat,min≤Sbat(t)≤Sbat,max
式中：Sbat,min为储能电池系统中电池组最低电量，Sbat,max为储能电池系统中电池组最高电量。
储能电池系统荷电状态SOC约束：
SOCbat,min≤SOCbat(t)≤SOCbat,max
式中：SOCbat,min为储能电池系统中电池组SOC下限，SOCbat,max为储能电池系统中电池组SOC上限。
电池组的电流倍率限制：
Cchar(t)≤Cchar,high；
Cdischar(t)≤Cdischar,high
式中：Cchar,high为储能电池系统中电池组充电电流倍率上限，Cdischar,high为储能电池系统中电池组放电电流倍率上限。
参见图6，根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程，其中，所述动态规划方程中的状态变量为储能电池系统的荷电状态、且控制变量为柴油发电机组输出功率，具体包括：
(1)离散储能电池系统SOC为状态变量x。
(2)离散发电机组输出功率为控制变量u。
(3)单步代价函数为k-1阶段到k阶段的混合动力系统总能量损耗L。
(4)根据贝尔曼最优性原理，求解动态规划方程：
得到全局总能量损耗V最小的控制变量u即为取得柴电混合动力系统的燃油经济性最佳控制策略。
动态规划算法求解动态规划方程的过程如图7所示，进一步细化了算法的求解步骤，如下：
步骤S1、通过分析柴油发电机组的万有特性，得到发电机组油耗与效率之间的关系模型，进而得到发电机组损耗模型；通过储能电池系统充放电能耗分析，得到储能电池系统损耗模型，将两者损耗之和作为目标函数；
步骤S2、输入某一路况下混合动力系统运行数据，针对该运行数据确定负载需求功率和储能电池系统始末SOC；
步骤S3、在所述的轨道交通用柴电混合动力系统工作时，基于目标1分别建立损耗方程；
步骤S4、离散化储能电池始末SOC为N个连续阶段；
步骤S5、离散化动力包输出功率；
步骤S6、求解在不同动力包输出功率下的k阶段能量损耗；
步骤S7、累加k阶段到N阶段的能量损耗之和；
步骤S8、若损耗最小成立则选取k阶段满足目标1的动力包输出功率，并执行S9，否则返回执行S5；
步骤S9、令k-1，若k＝1成立执行S10，反之则返回执行S6；
步骤S10、递推满足所有N阶段的动力包输出功率，组成最优控制序列；
步骤S11、输出N阶段动力包和储能电池系统功率分配，以及总能量损耗之和。
本应用实例基于轨道交通用柴电混合动力系统能量优化分配，从能量损耗最小的角度出发，控制柴油发电机组输出功率，并保证储能电池系统工作在安全可靠范围，从而为混合动力系统全局优化提供了新的思路。
从上述描述可知，本发明所述方案可以实现在已知工况下混合动力系统燃油经济性最佳控制，在满足负载系统功率需求的情况下又能够满足混合动力系统各自的约束条件，充分发挥了柴油发电机组的燃油经济，为提升混合动力列车运行在无网区域下提供了一种更加经济的新方法。
本发明的实施例二提供了能够实现上述轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法中全部步骤的一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配系统的具体实施方式，参见图8，所述轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配系统具体包括如下内容：
总能量消耗模型获取单元10，用于根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型。
动态规划方程建立单元20，用于根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程，其中，所述动态规划方程中的状态变量为储能电池系统的荷电状态、且控制变量为柴油发电机组输出功率。
能量分配单元30，用于基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。
本发明提供的轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配系统的实施例具体可以用于执行上述轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述方法实施例的详细描述。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配系统，能够对轨道交通的柴电混合动力系统进行高效且准确的能量分配优化，使得柴电混合列车在运行工况下的柴电混合动力系统的损耗最小，并能够保证柴电混合动力系统中各元件均工作在安全可靠范围内，能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗。
本发明的实施例三提供了能够实现上述轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，参见图9，所述电子设备具体包括如下内容：
处理器(processor)601、存储器(memory)602、通信接口(CommunicationsInterface)603和总线604；
其中，所述处理器601、存储器602、通信接口603通过所述总线604完成相互间的通信；所述通信接口603用于轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配制作软件及服务器等相关设备之间的信息传输；
所述处理器601用于调用所述存储器602中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例一中的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：
步骤100：根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型。
步骤200：根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程。
步骤300：基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的电子设备，能够对轨道交通的柴电混合动力系统进行高效且准确的能量分配优化，使得柴电混合列车在运行工况下的柴电混合动力系统的损耗最小，并能够保证柴电混合动力系统中各元件均工作在安全可靠范围内，能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗。
本发明的实施例四提供了能够实现上述轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法全部步骤的一种计算机可读存储介质的具体实施方式，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例一的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：
步骤100：根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型。
步骤200：根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程。
步骤300：基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的计算机可读存储介质，能够对轨道交通的柴电混合动力系统进行高效且准确的能量分配优化，使得柴电混合列车在运行工况下的柴电混合动力系统的损耗最小，并能够保证柴电混合动力系统中各元件均工作在安全可靠范围内，能够在保障列车的运行性能的基础上，有效且可靠地降低了柴电混合动力系统的能量损耗。
还需要说明的是，在本文中，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。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配方法，其特征在于，所述能量分配方法包括：
根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型；
根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程；
以及，基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配；
其中，所述根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型，包括：
根据所述柴油发电机组的万有特性，确定所述柴油发电机组的油耗与效率之间的关系，并建立所述柴油发电机组的动力包能量消耗子模型；
建立所述储能电池系统的能量消耗子模型；
对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，得到所述目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型；
其中，所述建立所述储能电池系统的能量消耗子模型包括：
分别建立所述储能电池系统中的动力电池功率损耗子模型和直流变换器DC-DC功率损耗子模型；
以及，将所述动力电池功率损耗子模型和所述直流变换器DC-DC功率损耗子模型进行组合，得到所述储能电池系统的能量消耗子模型；
其中，所述对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，得到所述目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型，包括：
对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，确定所述总能量消耗模型中的如公式一所述的目标函数F：
在公式一中，所述PDG_loss为所述动力包能量消耗子模型；Pbat_loss为所述动力电池功率损耗子模型；Pdcdc_loss为所述直流变换器DC-DC功率损耗子模型；N为整个工况离散的阶段数；k为离散阶段过程中的第k阶段；L为单阶段过程中功率损耗之和；Δt为单阶段过程中功率损耗所用时间；
以及，确定所述目标函数F的约束条件，得到包括所述目标函数F及其约束条件的所述总能量消耗模型。
2.根据权利要求1所述的能量分配方法，其特征在于，所述根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程，包括：
将储能电池系统的荷电状态作为动态规划方程中的状态变量x，并将所述柴油发电机组输出功率作为动态规划方程中的控制变量u；
建立如公式二所示的目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程：
在公式二中，V为所述目标柴电混合动力系统的全局总能量损耗；L(xi(k),uj(k))为所述总能量消耗模型F；M为电池SOC从荷电状态最小值SOCmin到荷电状态最大值SOCmax的离散度；i为第k阶段的电池SOC值的坐标；j为第k+1阶段SOC值的坐标。
3.根据权利要求1所述的能量分配方法，其特征在于，所述基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配，包括：
采集所述目标柴电混合动力系统运行在任一工况下的柴油发电机组输出功率和储能电池系统的荷电状态，其中，所述储能电池系统的荷电状态包括所述储能电池系统在该当前工况开始时的初始荷电状态和该当前工况结束时的结束荷电状态；
对所述储能电池系统在该当前工况开始时的初始荷电状态和该当前工况结束时的结束荷电状态进行离散，得到N个连续阶段，以及，对所述柴油发电机组输出功率进行离散；
根据所述储能电池系统在该当前工况开始时的初始荷电状态和该当前工况结束时的结束荷电状态的离散结果、和所述柴油发电机组输出功率的离散结果，基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，直到得到使得所述总能量消耗模型F的值最小时的所述控制变量的最优值；
以及，将所述控制变量的最优值作为所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和对应的储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配。
4.根据权利要求1所述的能量分配方法，其特征在于，所述目标函数F的约束条件包括：柴油发电机组物理约束条件、储能电池系统的功率约束条件、储能电池系统的容量约束条件、储能电池系统的电流倍率约束条件。
5.一种轨道交通用柴电混合动力系统的能量分配系统，其特征在于，所述能量分配系统包括：
总能量消耗模型获取单元，用于根据用于轨道交通的目标柴电混合动力系统的柴油发电机组的动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型，建立该目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型；
动态规划方程建立单元，用于根据所述总能量消耗模型，建立目标柴电混合动力系统的总能量消耗的动态规划方程；
能量分配单元，用于基于全局动态规划算法对所述动态规划方程进行求解，得到所述目标柴电混合动力系统的柴油发电机组功率分配值和储能电池系统的能量分配值，完成对所述目标柴电混合动力系统中的柴油发电机组及储能电池系统的能量分配；
其中，所述总能量消耗模型获取单元，具体用于：
根据所述柴油发电机组的万有特性，确定所述柴油发电机组的油耗与效率之间的关系，并建立所述柴油发电机组的动力包能量消耗子模型；
建立所述储能电池系统的能量消耗子模型；
对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，得到所述目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型；
其中，所述建立所述储能电池系统的能量消耗子模型包括：
分别建立所述储能电池系统中的动力电池功率损耗子模型和直流变换器DC-DC功率损耗子模型；
以及，将所述动力电池功率损耗子模型和所述直流变换器DC-DC功率损耗子模型进行组合，得到所述储能电池系统的能量消耗子模型；
其中，所述对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，得到所述目标柴电混合动力系统的总能量消耗模型，包括：
对动力包能量消耗子模型和储能电池系统的能量消耗子模型进行加和处理，确定所述总能量消耗模型中的如公式一所述的目标函数F：
在公式一中，所述PDG_loss为所述动力包能量消耗子模型；Pbat_loss为所述动力电池功率损耗子模型；Pdcdc_loss为所述直流变换器DC-DC功率损耗子模型；N为整个工况离散的阶段数；k为离散阶段过程中的第k阶段；L为单阶段过程中功率损耗之和；Δt为单阶段过程中功率损耗所用时间；
以及，确定所述目标函数F的约束条件，得到包括所述目标函数F及其约束条件的所述总能量消耗模型。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一项所述能量分配方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述能量分配方法的步骤。
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