CN108832611B - 一种轨道交通应急电源系统与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种轨道交通应急电源系统与控制方法，属于轨道交通供电技术领域；本发明方法主要包括动车组应急电源系统匹配设计与混合动力能量控制方法，该应急电源系统主要包括燃料电池系统、储能装置和能量控制器等。匹配设计主要根据动车组应急模式下运行线路、车辆参数下的功率与能量为约束条件，以体积成本为目标函数进行匹配设计，得出一种动车组应急电源系统的方案；本发明可有效地对动车组应急电源系统进行设计与控制，满足了应急情况下的电能需求，提高了能量利用效率。

Description

一种轨道交通应急电源系统与控制方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，特别是涉及一种轨道交通应急电源系统与控制方法。
背景技术
列车应急系统主要考虑在无牵引网状况下列车如何安全平稳行驶到站，同时为车内人员提供相对舒适的乘车环境。现有轨道交通应急电源通常采用车源分离方式，就是轨道交通车辆本身不带应急电源，一旦出现紧急情况，由专门的应急救援车实施救援。这种被动的救援方式存在及时性差、人性化程度低等不足之处，容易招致被困乘客的不满。
近年来，国内开始论证采用动力电池作为车载应急电源的方案，但这种储能式应急电源存在续航里程短、成本高、体积/重量大等不足，同时应急电源在正常运行过程中无法参与到车辆运行之中，从一定程度上看也是一种浪费。近年来，随着燃料电池在汽车领域的快速发展，尤其是随着丰田“Mirai”和本田“Clarity”燃料电池汽车的成功上市。同时，巴纳德燃料电池生产线在国内即将投产，燃料电池成本将进一步下降，燃料电池在轨道交通领域受到空前关注。与单纯的储能式列车相比，燃料电池混合动力有轨电车具有续航里程远、环保高效等特点，因此本燃料电池混合动力应急电源系统，可以克服储能式应急电源的不足。
现有的动车组应急处理方法，无法保证动车组安全平稳行驶；能量利用效率低，造成了大量的能量浪费，也有提及使用燃料电池作为应急电源，但对燃料电池混合动力系统各动力配置没有给出解决方案。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种轨道交通应急电源系统与控制方法，应急条件下，保证动车组安全平稳行驶到站并为车内人员提供相对舒适的乘车环境；为列车提供持续电能，正常行驶时，储能装置参与车辆制动能量回收，有效提高能量利用效率，节约成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种轨道交通应急电源系统的控制方法，包括步骤：
S100计算列车应急模式下的列车实时需求功率、正常情况下全线辅助系统实时功率和再生制动能量实时功率；
S200选择燃料电池与储能元件的匹配模式；
S300在匹配模式中，得到满足能量约束、功率约束和体积重量约束的燃料电池与储能装置匹配组合方案，并进行优化，得到满足实时电力电量平衡且全寿命周期成本最低的最优匹配结果；
S400根据所述不同匹配组合方案，对所述轨道交通应急电源系统进行功率跟随控制。在应急状态下的电能需求，即应急续航行程内的牵引功率和通风空调、照明、列控等辅助系统的功耗。最大应急续航行程由用户设定，或由对功率、能量要求最高的站区间确定。所述的正常运行状态下列车部分辅助系统的电能需求，是指非应急状态下，按用户需求涉及的辅助系统功耗，如通风空调系统、照明系统等的电能。
进一步的是，在步骤S200中所述匹配模式包括贯通式匹配和增程式匹配；
所述贯通式匹配模式：正常状态下燃料电池发电系统为列车部分辅助系统(如通风空调系统)供电；储能装置吸收再生制动能量为列车分区所过分相提供不间断电源；应急状态下燃料电池发电系统与储能装置共同满足列车辅助系统基本运行与车辆应急牵引的电能需求；
所述增程式匹配模式：正常状态下燃料电池发电系统不工作；储能装置吸收再生制动能量，为列车分区所过分相提供不间断电源；在应急状态下燃料电池发电系统与储能装置共同满足列车辅助系统基本运行与车辆应急牵引的电能需求。
当途经列车分区所过分相时，本发明作为一种车载应急电源系统，可以实现为列车分区所过分相供电的需求，从而代替现有的列车分区所过分相不间断供电自动过分相系统。
为了达到匹配设计的目的：确定满足应急电能需求的储能系统容量、燃料电池功率等级及储氢量，优化目标函数为全寿命周期成本最低和混合动力系统体积/重量最小；约束条件为需求功率和需求能量约束、空间约束、燃料电池输出功率上下限和爬坡能力约束、储能单元SOC上下限和充放电倍率约束、再生制动能量回收率约束等；
进一步的是，所述贯通式匹配模式包括步骤：根据列车应急模式下运行线路的运行工况，计算列车运行时的辅助功率Pfc2在Pfc≥Pfc2条件下，寻求燃料电池功率等级Pfc；以正常行驶与应急情况下功率、能量和电压为约束，以体积重量和成本为最优化目标，基于Parato最优化理论，确定出成本与体积重量协调最优的燃料电池功率等级与储能系统配置中储能元件串并联拓扑参数；Pareto最优化理论是一种非支配解的多目标优化方法，能够满足本系统的优化需求，且具有理想的优化效果。
进一步的是，所述增程式匹配模式包括步骤：根据列车应急模式下运行线路的运行工况，得出应急情况下列车运行的平均功率P平均；以Pfc≤(1+α)P平均为约束条件，其中α为工程裕度；以应急情况下功率、能量和电压为约束，以应急电源系统体积和成本为最优化目标，基于Parato最优化理论，确定出成本与体积重量协调最优的燃料电池功率等级与储能系统中储能元件串并联拓扑参数。
所述优化处理：基于Parato最优化理论，从匹配结果中确定出成本与体积重量协调最优的匹配结果；Pareto最优化法是一种非支配解的多目标优化方法，能够满足本系统的优化需求。
为了达到匹配设计的目的：确定满足应急情况电能需求的储能系统容量、燃料电池功率等级及储氢量，优化目标函数为全寿命周期成本最低和混合动力系统体积/重量最小；约束条件为需求功率和需求能量约束、空间约束、燃料电池输出功率上下限和爬坡能力约束、储能单元SOC上下限和充放电倍率约束、再生制动能量回收率约束等。
进一步的是，所述步骤S400中，以保证应急电源系统能满足应急情况下电能需求，对所述轨道交通应急电源系统进行功率跟随控制方法，包括步骤：
S401：若匹配模式为增程式匹配方案则判断列车运行状态，若列车处于应急状态则转入S402，否则转入S403；若匹配模式为贯通式匹配方案则判断列车是否处于应急状态，若列车处于应急状态则转入S402，否则转入S404；
S402：①启动燃料电池(如燃料电池已启动，则保持)，燃料电池与储能元件共同满足列车应急牵引功率和基本辅助系统功率，同时由储能元件回收再生制动能量；
②判断列车是否处于再生制动状态：
若是，若储能元件SOC值大于或等于最大值SOCU，则再生制动能量由制动电阻消耗；若储能元件SOC值小于最大值SOCU，则由储能元件回收制动能量；
若否，则若储能元件SOC小于阈值SOCs，则利用燃料电池发电系统对储能元件进行充电；若储能元件SOC大于阈值SOCs，则储能元件与燃料电池同时为辅助系统供电；
S403：①燃料电池不启动，储能系统回收再生制动能量，为列车分区所过分相提供不间断电源；
②判断列车是否处于再生制动状态：
若是，若储能元件SOC值大于或等于最大值SOCU，则制动能量馈入牵引网络或由制动电阻消耗；若储能元件SOC值小于最大值SOCU，则由储能元件回收制动能量，转入S105；
若否，判断列车是否处于过分相状态：若是，则由储能元件为列车提供所需的牵引和辅助系统功率；若否，则若储能元件SOC小于阈值SOCs，则利用牵引供电系统对储能元件进行充电至SOCs，转入S105；；
S404：①启动燃料电池(如燃料电池已启动，则保持)，燃料电池为列车部分辅助系统设备供电，储能元件吸收再生制动能量并在SOC大于SOCs时为列车起动、加速及爬坡时提供峰值功率；
②判断列车是否处于再生制动状态：
若是：切入储能元件进行制动回收；当储能元件SOC值达到最大值SOCU时切出储能元件，切入制动电阻或将再生制动能量馈入电网；当回收功率大于储能元件最大回收功率时，切入制动电阻或将再生制动能量馈入电网；当切入制动电阻后还无法满足要求时进行机械制动；转入下一步
若否：判断列车是否处于过分相状态：若是，则由储能元件为列车提供所需的牵引和辅助系统功率，若否，则若储能元件SOC小于阈值SOCs，则利用牵引供电系统对储能元件进行充电至SOCs，转入下一步；
S405：检测此时的列车运行状态，列车运行状态包括列车运行距离、车速、到下一站点距离、燃料电池与储能元件功率和储能元件SOC值，并保存检测数据；判断此时车速，若此时车速大于0，则转入S401，若此时车速等于0，则转入下一步；
S406：整个列车运行状态结束，关闭燃料电池，切出储能元件。
另一方面，本发明还提供了一种轨道交通应急电源系统，包括燃料电池发电系统、储能系统、列车辅助系统、牵引系统、直流母线和能量管理控制系统；
燃料电池发电系统，由燃料电池产生电能，经单向DC/DC转换器并入列车直流母线；
储能系统，包括储能元件，储能系统直接或经双向DC/DC转换器并入列车直流母线；
所述直流母线分别连接至所述列车辅助系统和牵引系统；
能量管理控制器，分别连接至燃料电池发电系统、储能系统、列车辅助系统和牵引系统的控制端；通过监测列车运行状态，实时控制燃料电池发电系统和储能系统，满足列车应急状态下的电能需求和正常运行状态下列车辅助系统的电能需求。
进一步的是，所述能量管理控制系统包括燃料电池电压电流监控电路、储能系统电压电流监控电路、牵引电压电流监控电路、母线电压检测电路、母线电流检测电路和控制器，所述燃料电池电压电流监控电路与单向DC/DC转换器相连，所述储能系统电压电流监控电路与双向DC/DC转换器相连，所述牵引电压电流监控电流连接至牵引系统，所述母线电压检测电路和母线电流检测电路均设置在直流母线上；所述燃料电池电压电流监控电路、储能系统电压电流监控电路、牵引电压电流监控电路、母线电压检测电路和母线电流检测电路均与控制器相连接。将检测数据反馈给信号控制器，由控制器进行功率分配，从而调节燃料电池发电系统、储能系统、辅助系统和牵引系统的工况。
采用本技术方案的有益效果：
本发明能够解决列车中储能元件只为应急系统供电而带来大量冗余与能量浪费的问题；能够避免纯燃料电池系统，因功率变化幅度大、变化速度快造成料电池过度损耗问题；保证动车组安全平稳行驶到站并为车内人员提供相对舒适的乘车环境；本技术方案特别适用于动车组应急系统。
在本发明的控制方法下，储能元件能够得到高效利用，特别是采用锂电池作为储能元件，可保证车辆长时间运行在无牵引网环境中；应急续航里程数主要由储氢罐存储氢气量决定，可通过增加氢罐数量实现续航里程的增长；采用多目标优化理论使得设计成本与体积相对降低；整套设备用电完全独立，能源清洁，贯彻可持续发展理念，环保可靠；为列车提供持续电能，有效提高能量利用效率，节约成本。
本发明适用于无牵引网混合动力列车，为各种路况，环境下列车运行提供匹配设计与控制方法；能够应用于列车应急方案设计与大部分无牵引网列车运行模式，特别适用于动车组的应急系统。
附图说明
图1为本发明的一种轨道交通应急电源系统的控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例中燃料电池混合动力匹配系统实施流程示意图；
图3为本发明实施例中燃料电池混合动力匹配系统储能元件荷电状态(SOC)示意图；
图4为本发明实施例中燃料电池混合动力控制系统主控制流程示意图；
图5为本发明实施例中燃料电池混合动力控制系统牵引功率计算子流程流程示意图；
图6为本发明实施例中燃料电池混合动力控制系统制动回收子流程示意图；
图7为本发明实施例中一种轨道交通应急电源系统的结构示意图；
其中，11是燃料电池发电系统；12是单向DC/DC转换器，21是储能系统，22是双向DC/DC转换器；31是储能系统电压电流监控电路，32是燃料电池电压电流监控电路，33是牵引电压电流监控电路，34是控制器；41是列车辅助系统；51是牵引系统；61是直流母线；71是母线电流检测电路，72是母线电压检测电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1和图2所示，本发明提出了一种轨道交通应急电源系统的控制方法，包括步骤：
S100计算列车应急模式下运行线路的运行工况。根据给定线路数据结合车辆参数(车重、运行加速度、最大功率、最大加速度和阻力系数等)情况，计算出列车应急模式下运行线路的运行工况。
所述计算运行工况过程中，以当前列车运行车速及加速度，结合当前路况坡度进行计算：
其基本计算，满足列车驱动轮的驱动力Ft(kN)为：
式中，m为车辆质量(t)；g为重力加速度(m/s2)；α为坡度角；Gd为包含回转质量在内的列车总质量，其值为(1+γ)m；γ为回转质量系数；v为车速(km/h)；w0为单位基本阻力(N/kN)。
基本阻力由以下五个方面构成：轴颈与轴承之间的摩擦产生的阻力、轮轨间的滚动摩擦、轮轨间的滑动摩擦、冲击和振动造成的运行阻力、空气阻力，则单位基本阻力公式为：
w0＝Aw+Bwv+Cwv2
列车轮周功率Pt为：
式中，v为列车车速。
根据给定线路计算动车正常运行时的辅助功率Pf。
S200选择燃料电池与储能元件的匹配模式；所述匹配模式包括贯通式匹配和增程式匹配。
贯通式匹配模式：正常状态下燃料电池发电系统为列车部分辅助系统(如通风空调系统)供电，储能装置吸收再生制动能量，为列车分区所过分相提供不间断电源；应急状态下燃料电池发电系统与储能装置共同满足列车辅助系统基本运行与车辆应急牵引的电能需求。
增程式匹配模式：正常状态下燃料电池发电系统不工作，储能装置吸收再生制动能量，为列车分区所过分相提供不间断电源；应急状态下燃料电池发电系统与储能装置共同满足列车辅助系统基本运行与车辆应急牵引的电能需求。应急状态下的电能需求，是指应急续航行程内的牵引功率和通风空调、照明、列控等辅助系统的能耗。最大应急续航行程由用户设定，或由对功率、能量要求最高的站区间确定。所述的正常运行状态下列车部分辅助系统的电能需求，是指非应急状态下，按用户需求涉及的辅助系统功耗，如通风空调系统、照明系统等的电能。
S300在匹配模式中，根据运行工况得到列车功率和到达指定站点所需要的总能量，由能量约束和功率约束，得到燃料电池与储能元件的匹配结果。
所述贯通式匹配模式包括步骤：根据列车应急模式下运行线路的运行工况，计算列车运行时的辅助功率Pfc2；以Pfc2≤Pfc为约束条件，以成本最优化为目标作优化处理，确定出成本与体积重量协调最优的燃料电池功率等级Pfc与储能元件的串并联拓扑参数。
所述增程式匹配模式包括步骤：根据列车应急模式下运行线路的运行工况，得出应急情况下列车运行的平均功率P平均；以Pfc≤(1+α)P平均为约束条件，其中α为工程裕度；以应急情况下功率、能量和电压为约束，以应急电源系统体积和成本为最优化目标，基于Parato最优化理论，确定出成本与体积重量协调最优的燃料电池功率等级与储能系统中储能元件串并联拓扑参数。
储能元件匹配依据如下：
对于储能元件数量匹配，定义其数量为b，b应满足如下约束条件：
mFC+b×mB≤mmax
其中，mmax为限定最大重量，计算中加乘量为估算实际工程中相应的重量增加量，包括箱体质量，氢气罐质量，变流器质量，斩波器质量，辅机质量以及连接线质量。
VFC×250％+b×VB×200％≤Vmax
其中，Vmax为限定最大体积，计算中加乘量为估算实际工程中相应的体积增加量，包括箱体体积，氢气罐体积，变流器体积，斩波器体积，辅机体积。
λDC/DCmin×Um≤nB串×Ubmin≤nB串×Ucmax≤λDC/DCmax×Um
其中λDC/DC表示变流器输入输出电压比，Um表示母线电压，nB串表示动力电池串联数目。
对于动力性能要求，需满足：
对加速性能要求，需满足：
该状态选择储能元件满电情况下放电至额定电压50％的总能量，是否满足车辆加速需要，即将车辆从0加速至运行车速。
对能量需求，需满足：
其中T为整个运行时间，SOCS表示储能系统荷电状态阈值，参阅图3，阈值上下限SOCS1与SOCS2代表阈值的取值区间，其中：
Q制动为一次再生制动可回收能量，确定了SOCS1与SOCS2后，可取SOCS为中间值。通过上述约束条件可得出完整混合动力系统中储能系统中储能元件的可能性。
所述优化处理：基于Parato最优化理论，从匹配结果中确定出成本与体积重量协调最优的匹配结果；Pareto最优化法是一种非支配解的多目标优化方法，能够满足本系统的优化需求。
为了达到匹配设计的目的：确定满足应急情况电能需求的储能系统容量、燃料电池功率等级及储氢量，优化目标函数为全寿命周期成本最低和混合动力系统体积/重量最小；约束条件为需求功率和需求能量约束、空间约束、燃料电池输出功率上下限和爬坡能力约束、储能单元SOC上下限和充放电倍率约束、再生制动能量回收率约束等。
S400根据所述匹配结果，对所述轨道交通应急电源系统进行功率跟随控制。
基于以下需求：燃料电池在自身爬坡约束下提供一个较为平稳的功率输出，此时燃料电池功率等级可以等于或小于应急电能需求的平均功率；储能单元满足应急电能需求减去燃料电池输出后的剩余能量需求，同时吸收负荷消耗不完的燃料电池输出能量与回收再生制动能量。储能单元在列车应急状态前的荷电状态(SOC)不低于某个阈值SOCs(正常状态下动车牵引供电系统可以给储能单元充电)，以保证应急电源系统能满足应急电能需求。然后再校核燃料电池功率等级是否满足正常状态下列车辅助系统的功率需求和储能单元还需要满足再生制动能量的回收需求；正常状态下，辅助系统所需电能主要由燃料电池提供，因此最终的燃料电池功率，应为应急状态下匹配设计得到的燃料电池功率和辅助系统功率两者间的较大值；正常状态下，储能装置作为辅助电源，为列车分区所过分相提供不间断电源，且始终处于SOC高位(如设定最低为0.75，为可能的应急情况提供足够的电能)，同时需要满足回收再生制动能量需求；燃料电池系统的储氢量，需同时满足正常状态和应急状态下的需求。
所述步骤S400中，如图4-6所示，以保证应急电源系统能满足应急电能需求，对所述轨道交通应急电源系统进行功率跟随控制方法，包括步骤：
S401：若匹配模式为增程式匹配方案则判断列车运行状态，若列车处于应急状态则转入S402，否则转入S403；若匹配模式为贯通式匹配方案则判断列车是否处于应急状态，若列车处于应急状态则转入S402，否则转入S404。
S402：①启动燃料电池(如燃料电池已启动，则保持)，燃料电池与储能元件共同满足列车应急牵引功率和基本辅助系统功率，同时由储能元件回收再生制动能量；
②判断列车是否处于再生制动状态：
若是，若储能元件SOC值大于或等于最大值SOCU，则再生制动能量由制动电阻消耗；若储能元件SOC值小于最大值SOCU，则由储能元件回收制动能量；
若否，则若储能元件SOC小于阈值SOCs，则利用燃料电池发电系统对储能元件进行充电；若储能元件SOC大于阈值SOCs，则储能元件与燃料电池同时为辅助系统供电；
S403：①燃料电池不启动，储能系统回收再生制动能量，为列车分区所过分相提供不间断电源；
②判断列车是否处于再生制动状态：
若是，若储能元件SOC值大于或等于最大值SOCU，则制动能量馈入牵引网络或由制动电阻消耗；若储能元件SOC值小于最大值SOCU，则由储能元件回收制动能量，转入S105；
若否，判断列车是否处于过分相状态：若是，则由储能元件为列车提供所需的牵引和辅助系统功率；若否，则若储能元件SOC小于阈值SOCs，则利用牵引供电系统对储能元件进行充电至SOCs，转入S105；；
S404：①启动燃料电池(如燃料电池已启动，则保持)，燃料电池为列车部分辅助系统设备供电，储能元件吸收再生制动能量并在SOC大于SOCs时为列车起动、加速、爬坡时提供部分峰值功率；
②判断列车是否处于再生制动状态：
若是：切入储能元件进行制动回收；当储能元件SOC值达到最大值SOCU时切出储能元件，切入制动电阻或将再生制动能量馈入电网；当回收功率大于储能元件最大回收功率时，切入制动电阻或将再生制动能量馈入电网；当切入制动电阻后还无法满足要求时进行机械制动；转入下一步
若否：判断列车是否处于过分相状态：若是，则由储能元件为列车提供所需的牵引和辅助系统功率，若否，则若储能元件SOC小于阈值SOCs，则利用牵引供电系统对储能元件进行充电至SOCs，转入下一步；
S405：检测此时的列车运行状态，包括列车运行距离、车速、到下一站点距离、燃料电池与储能元件功率和储能元件SOC值，并保存检测数据；判断此时车速，若此时车速大于0，则转入S401，若此时车速等于0，则转入下一步；；
S406：整个列车运行状态结束，关闭燃料电池，切出储能元件。
另一方面，本发明还提供了一种轨道交通应急电源系统，包括燃料电池发电系统、储能系统和能量管理控制器，
燃料电池发电系统，由燃料电池产生电能，经单向DC/DC转换器并入列车直流母线；
储能系统，包括储能元件，储能系统直接或经双向DC/DC转换器并入列车直流母线；
能量管理控制系统，通过监测列车运行状态，实时控制燃料电池发电系统和储能系统，满足列车应急状态下的电能需求和正常运行状态下列车部分辅助系统的电能需求。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图7所示，本发明还提供了一种轨道交通应急电源系统，包括燃料电池发电系统11、储能系统21、列车辅助系统41、牵引系统51、直流母线61和能量管理控制系统；
燃料电池发电系统11，由燃料电池产生电能，经单向DC/DC转换器12并入列车直流母线61；
储能系统21包括储能元件，储能系统21直接或经双向DC/DC转换器22并入列车直流母线61；
所述直流母线61分别连接至所述列车辅助系统41和牵引系统51；
能量管理控制系统，分别连接至燃料电池发电系统11、储能系统21、列车辅助系统41和牵引系统51的控制端；通过监测列车运行状态，实时控制燃料电池发电系统11和储能系统21，满足列车应急状态下的电能需求和正常运行状态下列车辅助系统41的电能需求。
所述能量管理控制系统包括燃料电池电压电流监控电路32、储能系统电压电流监控电路31、牵引电压电流监控电路33、母线电压检测电路72、母线电流检测电路71和控制器34，所述燃料电池电压电流监控电路32与单向DC/DC转换器12相连，所述储能系统电压电流监控电路31与双向DC/DC转换器22相连，所述牵引电压电流监控电流连接至牵引系统51，所述母线电压检测电路72和母线电流检测电路71均设置在直流母线61上；所述燃料电池电压电流监控电路32、储能系统电压电流监控电路31、牵引电压电流监控电路33、母线电压检测电路72和母线电流检测电路71均与控制器34相连接。将检测数据反馈给信号控制器34，由控制器34进行功率分配，从而调节燃料电池发电系统11、储能系统21、辅助系统和牵引系统51的工况。
所述牵引系统51包括逆变器和牵引负载，所述逆变器的直流端连接至直流母线61，所述逆变器的交流端连接至牵引负载，所述逆变器的控制端连接至能量管理控制系统，逆变器额定电压为750V。所述逆变器将直流母线61电流逆变为交流电，并接入到牵引负载；或将制动交变电流整流为直流电接入母线给储能系统充电。
所述燃料电池发电系统11为质子交换膜燃料电池发电系统11，质子交换膜燃料电池发电系统11具有转换效率高、能量利用率大等优点，适用于列车中使用。
所述储能系统21可选用磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池或锰酸钴锂电池等，也可选用超级电容或其他储能元件。
所述辅助系统41包括空调、空压机和照明。所述辅助系统41主要是动车运行时自身需要消耗的功率，如空调，空压机等需要消耗的功率。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种轨道交通应急电源系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：
S100计算列车应急模式下的列车实时需求功率、正常情况下全线辅助系统实时功率和再生制动能量实时功率；
S200选择燃料电池与储能元件的匹配模式；
S300在匹配模式中，得到满足能量约束、功率约束和体积重量约束的燃料电池与储能装置匹配组合方案，并进行优化，得到满足实时电力电量平衡且全寿命周期成本最低的最优匹配结果；
S400根据不同的所述匹配组合方案，对所述轨道交通应急电源系统进行能量管理控制；
所述匹配模式包括贯通式匹配模式和增程式匹配模式；
所述贯通式匹配模式：正常状态下燃料电池发电系统为列车部分辅助系统供电，储能装置吸收再生制动能量为列车分区所过分相提供不间断电源和部分牵引峰值功率；应急状态下燃料电池和储能装置共同满足列车辅助系统基本运行与车辆应急牵引的电能需求；
所述增程式匹配模式：正常状态下燃料电池发电系统不工作，仅储能装置吸收再生制动能量为列车分区所过分相提供不间断电源和部分牵引峰值功率；应急状态下燃料电池发电系统与储能装置共同满足列车辅助系统基本运行与车辆应急牵引的电能需求。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通应急电源系统的控制方法，其特征在于，所述贯通式匹配模式包括步骤：
根据列车应急模式下运行线路的运行工况，计算列车运行时的辅助功率Pfc2在Pfc≥Pfc2条件下，寻求燃料电池功率等级Pfc；以正常行驶与应急情况下功率、能量和电压为约束，以体积重量和成本为最优化目标，基于Parato最优化理论，确定出成本与体积重量协调最优的燃料电池功率等级与储能系统配置中储能元件串并联拓扑参数。
3.根据权利要求1所述的一种轨道交通应急电源系统的控制方法，其特征在于，所述增程式匹配模式包括步骤：根据列车应急模式下运行线路的运行工况，得出应急情况下列车运行的平均功率P平均；以Pfc≤(1+α)P平均为约束条件，其中α为工程裕度，Pfc为燃料电池功率等级；以应急情况下功率、能量和电压为约束，以应急电源系统体积和成本为最优化目标，基于Parato最优化理论，确定出成本与体积重量协调最优的燃料电池功率等级与储能系统中储能元件串并联拓扑参数。
4.根据权利要求1所述的一种轨道交通应急电源系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S400中，对所述轨道交通应急电源系统进行能量管理控制，包括步骤：
S401：若匹配模式为增程式匹配方案则判断列车运行状态，若列车处于应急状态则转入S402，否则转入S403；若匹配模式为贯通式匹配方案则判断列车是否处于应急状态，若列车处于应急状态则转入S402，否则转入S404；
S402：①启动燃料电池，燃料电池与储能元件共同满足列车应急牵引功率和基本辅助系统功率，同时由储能元件回收再生制动能量；
②判断列车是否处于再生制动状态：
若是，若储能元件SOC值大于或等于最大值SOCU，则再生制动能量由制动电阻消耗；若储能元件SOC值小于最大值SOCU，则由储能元件回收制动能量；若否，则若储能元件SOC小于阈值SOCs，则利用燃料电池发电系统对储能元件进行充电；若储能元件SOC大于阈值SOCs，则储能元件与燃料电池同时为辅助系统供电；
S403：①燃料电池不启动，储能系统回收再生制动能量，为列车分区所过分相提供不间断电源；
②判断列车是否处于再生制动状态：
若是，若储能元件SOC值大于或等于最大值SOCU，则制动能量馈入牵引网络或由制动电阻消耗；若储能元件SOC值小于最大值SOCU，则由储能元件回收制动能量，转入S405；
若否，判断列车是否处于过分相状态：若是，则由储能元件为列车提供所需的牵引和辅助系统功率；若否，则若储能元件SOC小于阈值SOCs，则利用牵引供电系统对储能元件进行充电至SOCs，转入S405；
S404：①启动燃料电池，燃料电池为列车部分辅助系统设备供电，储能元件吸收再生制动能量并在SOC大于SOCs时为列车起动、加速及爬坡时提供峰值功率；
②判断列车是否处于再生制动状态：
若是：切入储能元件进行制动回收；当储能元件SOC值达到最大值SOCU时切出储能元件，切入制动电阻或将再生制动能量馈入电网；当回收功率大于储能元件最大回收功率时，切入制动电阻或将再生制动能量馈入电网；当切入制动电阻后还无法满足要求时进行机械制动；转入下一步；
若否：判断列车是否处于过分相状态：若是，则由储能元件为列车提供所需的牵引和辅助系统功率，若否，则若储能元件SOC小于阈值SOCs，则利用牵引供电系统对储能元件进行充电至SOCs，转入下一步；
S405：检测此时的列车运行状态，列车运行状态包括列车运行距离、车速、到下一站点距离、燃料电池与储能元件功率和储能元件SOC值，并保存检测数据；判断此时车速，若此时车速大于0，则转入S401，若此时车速等于0，则转入下一步；
S406：整个列车运行状态结束，关闭燃料电池，切出储能元件。
5.一种轨道交通应急电源系统，采用如权利要求1-4中任一所述的控制方法，其特征在于，包括燃料电池发电系统(11)、储能系统(21)、列车辅助系统(41)、牵引系统(51)、直流母线(61)和能量管理控制系统；
燃料电池发电系统(11)，由燃料电池产生电能，经单向DC/DC转换器(12)并入列车直流母线(61)；
储能系统(21)，包括储能元件，储能系统(21)直接或经双向DC/DC转换器(22)并入列车直流母线(61)；
所述直流母线(61)分别连接至所述列车辅助系统(41)和牵引系统(51)；
能量管理控制系统，分别连接至燃料电池发电系统(11)、储能系统(21)、列车辅助系统(41)和牵引系统(51)的控制端；通过监测列车运行状态，实时控制燃料电池发电系统(11)和储能系统(21)，满足列车应急状态下的电能需求和正常运行状态下列车辅助系统(41)的电能需求。
6.根据权利要求5所述的轨道交通应急电源系统，其特征在于，所述能量管理控制系统包括燃料电池电压电流监控电路(32)、储能系统电压电流监控电路(31)、牵引电压电流监控电路(33)、母线电压检测电路(72)、母线电流检测电路(71)和控制器(34)，所述燃料电池电压电流监控电路(32)与单向DC/DC转换器(12)相连，所述储能系统电压电流监控电路(31)与双向DC/DC转换器(22)相连，所述牵引电压电流监控电流连接至牵引系统(51)，所述母线电压检测电路(72)和母线电流检测电路(71)均设置在直流母线(61)上；
所述燃料电池电压电流监控电路(32)、储能系统电压电流监控电路(31)、牵引电压电流监控电路(33)、母线电压检测电路(72)和母线电流检测电路(71)均与控制器(34)相连接。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111216562B (zh) * 2018-11-23 2021-03-16 中车唐山机车车辆有限公司 辅助供电系统，磁悬浮列车及磁悬浮轨道
CN111327102A (zh) * 2018-12-13 2020-06-23 中车唐山机车车辆有限公司 磁悬浮列车的电容箱，磁悬浮列车及稳压控制方法
CN111806235B (zh) * 2020-07-22 2022-06-07 西南交通大学 一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法
CN111959509B (zh) * 2020-08-19 2022-06-17 重庆交通大学 基于状态空间域电池能量均衡的q学习再生制动控制策略
CN113183832B (zh) * 2021-05-18 2022-08-12 中铁二院工程集团有限责任公司 一种电气化铁路功率平衡协同柔性过分相装置及控制方法
CN113675837B (zh) * 2021-09-08 2023-11-17 中铁二院工程集团有限责任公司 一种基于系统储能及网压维持的直流牵引供电系统
CN113898561B (zh) * 2021-10-14 2023-09-08 中车南京浦镇车辆有限公司 一种铁路客车制氧空压机过分相区卸载不停机控制方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090062332A (ko) * 2007-12-13 2009-06-17 현대자동차주식회사 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법
CN101563253A (zh) * 2006-05-19 2009-10-21 西门子运输系统有限公司 车辆的能量管理系统
CN201845828U (zh) * 2010-08-03 2011-05-25 同济大学 燃料电池增程器系统
CN104786862A (zh) * 2015-04-15 2015-07-22 西南交通大学 一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统
CN105398353A (zh) * 2015-10-23 2016-03-16 惠州市亿能电子有限公司 一种轨道交通机车电源系统及其控制方法
DE102016004438A1 (de) * 2016-04-12 2017-10-12 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems
CN107444138A (zh) * 2017-06-26 2017-12-08 浙江中车电车有限公司 一种双向供电电路
CN107554534A (zh) * 2017-09-20 2018-01-09 莱芜美澳冶金科技有限公司 一种新能源空地两用共享空中轨道交通系统及运行方法
CN107813718A (zh) * 2017-09-30 2018-03-20 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 一种车载燃料电池混合动力系统设计方法和装置
CN107839696A (zh) * 2017-10-30 2018-03-27 莱芜美澳冶金科技有限公司 一种永磁轴式直驱空地共享立体快速轨道交通系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2739502A4 (en) * 2011-08-05 2015-12-16 Abb Inc ELECTRIC POWER STORAGE SYSTEM FOR TRACTION SUPPLY
CN103879412B (zh) * 2014-03-14 2017-04-19 中车唐山机车车辆有限公司 有轨电车动力系统及控制方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101563253A (zh) * 2006-05-19 2009-10-21 西门子运输系统有限公司 车辆的能量管理系统
KR20090062332A (ko) * 2007-12-13 2009-06-17 현대자동차주식회사 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법
CN201845828U (zh) * 2010-08-03 2011-05-25 同济大学 燃料电池增程器系统
CN104786862A (zh) * 2015-04-15 2015-07-22 西南交通大学 一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统
CN105398353A (zh) * 2015-10-23 2016-03-16 惠州市亿能电子有限公司 一种轨道交通机车电源系统及其控制方法
DE102016004438A1 (de) * 2016-04-12 2017-10-12 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems
CN107444138A (zh) * 2017-06-26 2017-12-08 浙江中车电车有限公司 一种双向供电电路
CN107554534A (zh) * 2017-09-20 2018-01-09 莱芜美澳冶金科技有限公司 一种新能源空地两用共享空中轨道交通系统及运行方法
CN107813718A (zh) * 2017-09-30 2018-03-20 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 一种车载燃料电池混合动力系统设计方法和装置
CN107839696A (zh) * 2017-10-30 2018-03-27 莱芜美澳冶金科技有限公司 一种永磁轴式直驱空地共享立体快速轨道交通系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"燃料电池混合动力有轨电车动力系统设计";陈维荣 等;《西南交通大学学报》;第51卷(第3期);430-436 *
城市轨道交通车辆电池应急牵引功能的实现;沈涛;周巧莲;;城市轨道交通研究(第07期);110-115 *

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