CN109617207B - 车载超级电容串联型拓扑结构及该结构的控制装置、方法 - Google Patents

车载超级电容串联型拓扑结构及该结构的控制装置、方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种车载超级电容串联型拓扑结构及该结构的控制装置、方法，属于城轨交通车载超级电容能量控制技术领域。本发明应用的串联型超级电容拓扑无需电感，可以有效减小整个拓扑的体积和重量；使车载超级电容与地面超级电容协调控制，在预测到地面无法吸收剩余再生制动能量时强制开启车载超级电容储能模式，可以替代现有的车载制动电阻，防止再生制动失效的发生以及能量的浪费；详细分析了线路损耗、逆变器损耗、电机损耗以及内阻等损耗，提出了使系统损耗最小的滚动优化算法，可以有效的减小系统的损耗。且该滚动优化算法考虑了牵引‑制动的各个工况，且考虑了电机的输出转矩能力，与实际情况贴合较为紧密。

Description

车载超级电容串联型拓扑结构及该结构的控制装置、方法
技术领域
本发明涉及城轨交通系统超级电容能量优化控制技术领域，具体涉及一种车载超级电容串联型拓扑结构及该结构的控制装置、方法。
背景技术
近年来，轨道交通发展迅速，且由于城轨列车具有启停频繁，运行密度大，站间运行距离短等特点，制动能量相当可观。列车的制动方式主要包括机械制动和再生制动两种方式，机械制动通过闸瓦摩擦车轮踏面，将动能转换为热能耗散在空气中。这种方式虽然可靠，但浪费了列车的动能，还造成了诸如闸瓦磨损，粉尘污染和隧道温升等问题。再生制动的原理是当列车制动时，牵引电动机转变为发电机，将列车动能转化为再生电能。经计算，列车制动过程产生的再生能量约占牵引能量的30％～60％，如果能有效利用这部分再生能量，将极大的降低列车运行能耗，提高节能效率。
当列车再生制动时，如果邻近没有牵引列车来完全吸收再生制动能量，剩余的再生制动能量将使制动列车的牵引网电压超过允许范围，从而引发列车牵引系统的过压保护，导致再生制动失效的发生。当发生再生制动失效时，空气制动将投入使用。为了减小机械摩擦，目前最常用的处理方式是将多余的再生制动能量通过车载或者地面的制动电阻以热能的形式释放掉，但这种方式不仅仅造成电能的浪费，还会带来隧道温升等问题。
针对再生制动能量的有效利用，主要的解决方式有多列车的节能运行优化、再生制动能量回馈电网和能量储存三种方式。相比于前两种方式，能量储存方式赋予了再生制动能量时间属性，即提供能量方和能量需求方可以存在时间差。此外储能装置不与交流电网产生关联，系统改造复杂度低。
目前，国内有多条线路配置了地面式超级电容对制动能量进行储存，如，北京市地铁八通线的超级电容储能装置，起到了显著的节能效果。但由于受车体重量和空间的限制，车载式超级电容无法储存所有的剩余再生制动能量，因此，目前的研究绝大多数都集中在地面超级电容储能，但由于地面式超级电容储能受空载电压、制动车与储能装置距离以及制动功率等因素的影响，难以在所有情况下吸收所有的剩余再生制动能量；且地面超级电容储能能量的路径较长，会带来较大的线路损耗。因此，配置一定的车载超级电容对其进行补充是较为合理的方案。针对车载式超级电容的研究，目前进展较少，以下为两种典型的车载超级电容控制策略。
第一种车载超级电容控制策略，如图1所示，其原理是根据网压指令和实际网压的偏差值直接控制超级电容器的充放电，控制比较简单。控制环节中有两个限制器：限制器1限定超级电容器充放电电流不超过最大值，起保护超级电容器的作用；限制器2限定了超级电容器端口电压的范围，防止超级电容过充过放。
上述第一种控制策略较为简单，但也存在诸多缺点。首先，这种控制策略与大多数地面超级电容控制方式相同，未体现出车载超级电容相较于地面超级电容的优势与特点。其次，此论文未提及与地面超级电容协调控制，是独立的车载超级电容方案，在实际应用中难以实现。且此控制策略未考虑列车复杂的运行工况，也未考虑负载等情况，无法适用于所有的情况。
第二种控制策略为基于优化理论的多目标优化控制策略，为了发挥车载超级电容可以减小线路损耗的特点，把列车受电弓处电压跌落最小和列车运行能耗最小作为优化目标开展研究，具体策略框图如图2所示。一方面，该策略详细分析了线路损耗随着列车运行的变化特点，构建了线路损耗以及线路电流的动态函数；另一方面，该策略构建了损耗和电压跌落的评价函数，以函数最小为目标，实时的调整车载超级电容的充放电，在线路损耗的降低，以及电压跌落方面取得了较好的效果。
上述第二种控制策略虽然发挥出了车载超级电容一定的优势，但在损耗方面，仅考虑了线路损耗，未考虑整个系统的损耗优化，线路损耗的降低可能引发其他部分损耗的升高。另一方面，未考虑与地面超级电容协调控制，以及不同列车工况对超级电容的能量影响等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载超级电容交换器串联型拓扑结构以及该结构的能量控制装置、控制方法，利用系统损耗最小的滚动优化算法，实现了与地面超级电容协调控制的能量管理策略，以解决上述背景技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种车载超级电容串联型拓扑结构，所述超级电容的一端连接有第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管，所述超级电容的另一端连接有第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管；所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极连接所述超级电容的预充电电路，所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极连接负载；
所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第二绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管和所述第四绝缘栅双极型晶体管分别并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述预充电电路的输出端至所述负载间并联有支撑电容。
进一步的，在列车牵引工况下，当所述第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为牵引-充电模式；当所述第一绝缘栅双极型晶体管和第三绝缘栅双极型晶体管处于打开状态、所述第二绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为牵引-放电模式；当所述第一绝缘栅双极型晶体管处于打开状态，所述第二、第三、和第四绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为牵引-待机模式；
在列车制动工况下，当所述第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为制动-充电模式；当所述第二绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管处于打开状态、所述第一绝缘栅双极型晶体管和第三绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为制动-放电模式；当第二绝缘栅双极型晶体管处于打开状态，第一、第二、第三绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为制动-待机模式。
另一方面，本发明提供一种如上所述的车载超级电容串联型拓扑结构的控制装置，包括：
判断模块，用于判断车载超级电容能否在剩余制动时间内吸收地面超级电容无法吸收的剩余再生制动能量；
预测模块，用于预测超级电容下一时刻的直流侧电流、直流侧电压，以及电机的电流；
损耗计算模块，用于根据所述直流侧电流、直流侧电压以及电机的电流，计算下一时刻各充放电模式下的系统能耗；
模式选择模块，用于根据当前的列车工况，将下一时刻的超级电容的充放电模式进行分类，分别为当前模式、可切换模式和不可切换模式；
比例参数调整模块，用于调整分类后的不同充放电模式对应的比例缩放系数，对损耗计算模块计算出的损耗进行缩放；
比较模块，用于比较下一时刻各个充放电模式下的缩放后的能耗大小，确定能耗最低的充放电模式作为超级电容下一时刻的充放电模式。
第三方面，本发明提供一种使用如上所述的装置对车载超级电容串联型拓扑结构进行控制的方法，该方法包括如下流程步骤：
步骤S110：判断车载超级电容能否在剩余制动时间内吸收地面超级电容无法吸收的再生制动能量，若不能，则切换为强制升压模式；若能，则继续步骤S120；
步骤S120：预测超级电容下一时刻工作状态下的直流侧电流、直流侧电压，以及电机的电流；
步骤S130：根据所述直流侧电流、直流侧电压以及电机的电流，计算下一时刻各充放电模式下的系统能耗；
步骤S140：根据当前的列车工况，将可预测的下一时刻的超级电容的工作状态进行分类，分别为当前模式、可切换模式和不可切换模式；
步骤S150：调整分类后不同模式下的比例缩放系数，对损耗计算模块计算出的损耗进行缩放；比例缩放系数包括当前模式1对应的防抖动系数、可切换模式2对应的恒系数、不可切换模式3对应的剔除系数；
步骤S160：比较超级电容下一时刻各个充放电模式经过比例缩放环节后对应的系统能耗，确定能耗最低的超级电容充放电模式作为超级电容的下一充放电模式。
进一步的，所述系统能耗包括：线路损耗，逆变器损耗和电机损耗。
进一步的，所述步骤S110具体包括：
为了使车载式超级电容能够吸收多余的制动再生能量，则需要求出临界的时间ton，
由
Figure BDA0001902570790000041
将电压和时间的积分项分别放置左右两侧，对其进行积分可得：
Figure BDA0001902570790000051
u0表示当前时刻超级电容端电压，Δt为制动剩余时间，P为逆变器侧输入功率，则可得u1如下所示：
Figure BDA0001902570790000052
定义E1为此时车载超级电容能吸收的最大能量，则：
Figure BDA0001902570790000053
定义E2为此时地面储能装置吸收不了的能量，则：
E2＝Es-Eess
其中，Es为剩余再生制动能量，Eess为地面储能装置还能吸收的能量；
当同时满足
Figure BDA0001902570790000054
两个条件时，则根据损耗最低选择相应的工况，否则，车载超级电容强制为升压模式。
进一步的，所述步骤S120具体包括：
预测前后的超级电容储能系统逆变器输入功率不变，若此时超级电容处于升压状态，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC-Vc)idc1＝(VDC-2Vc)idc2
其中，idc1、idc2分别表示切除超级电容以及超级电容采用降压模式下的电流；
若此时超级电容为降压模式，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC+Vc)idc3＝(VDC+2Vc)idc4
其中，idc3、idc4分别表示切除超级电容以及超级电容采用升压模式下的电流；
若此时超级电容为待机模式，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC+Vc)idc5＝(VDC-Vc)idc6
其中，idc5、idc6分别表示超级电容采用升压模式下的电流以及超级电容采用降压模式下的电流。
进一步的，所述步骤S130具体包括：
线路损耗的计算公式如下所示，
Eline＝idc 2*Rline*Ts
其中，Eline表示一个采样周期内的线路损耗，idc为线路电流，Rline为线路电阻，Ts为采样周期；
逆变器及串联型拓扑结构的通态损耗如下所示：
Figure BDA0001902570790000061
Figure BDA0001902570790000062
逆变器的开关损耗如下式所示：
Figure BDA0001902570790000063
其中，VCE表示绝缘栅双极型晶体管IGBT的门槛电压，rCE表示IGBT的通态等效电阻，VFO表示二极管的通态电压降，rFO表示二极管的通态等效电阻，Im表示流过开关管的电流，Vout表示直流母线电压，Eon(t)、Eoff(t)分别表示IGBT开通、关断一次所需的能量，fout表示开关频率，m表示调制比，
Figure BDA0001902570790000064
表示功率因数；
电机的损耗如下所示：
Emotor＝Rs(id 2+iq 2)Ts
id和iq分别表示电机的直轴电流和交轴电流，Rs表示电机的定子电阻。
进一步的，所述步骤S140具体包括：
所述超级电容的工作状态包括：
状态一：在列车牵引状态下，未进入弱磁的低速区；
状态二：在列车牵引状态下，判断到电机即将进入弱磁区；
状态三：在列车牵引状态下，电机进入弱磁区；
状态四：在列车制动状态下，降压模式下的转矩无法满足电制动力的需求；
状态五：在列车制动状态下，降压模式下的转矩可以满足电制动力的需求；
所述状态一可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-充电模式、牵引-放电模式、牵引-待机模式、制动-充电模式、制动-放电模式及制动-待机模式；
所述状态三可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-放电模式、制动-充电模式、牵引-待机模式及制动待机模式；
所述状态四可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-放电模式、制动-充电模式、牵引-待机模式及制动待机模式；
所述状态五可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-充电模式、牵引-放电模式、牵引-待机模式、制动-充电模式、制动-放电模式及制动-待机模式。
进一步的，所述步骤S150具体包括：
假设模式1是当前时刻的模式，模式2是可以选择的模式，模式3是不被推荐的模式，K1、K2、K3的选取如下式所示：
Figure BDA0001902570790000071
K1为模式1的防抖动系数，K1越接近1，超级电容模式切换时，开关反复抖动的频率越高，K1越远离1，切换时的抖动越小，但系统损耗也随着增大；K2表示模式2的恒系数，模式2下可选择超级电容的工作状态；K3表示模式3的剔除系数，此时，超级电容的工作状态不可选择。
本发明有益效果：应用的串联型超级电容拓扑无需电感，可以有效减小整个拓扑的体积和重量；使车载超级电容与地面超级电容协调控制，在预测到地面无法吸收剩余再生制动能量时强制开启车载超级电容储能模式，可以替代现有的车载制动电阻，防止再生制动失效的发生以及能量的浪费；详细分析了线路损耗、逆变器损耗、电机损耗以及内阻等损耗，提出了使系统损耗最小的滚动优化算法，可以有效的减小系统的损耗。且该滚动优化算法考虑了牵引-制动的各个工况，且考虑了电机的输出转矩能力，与实际情况贴合较为紧密。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为现有技术中第一种车载超级电容控制策略原理图。
图2为现有技术中第二种车载超级电容控制策略原理图。
图3为本发明实施例一所述的拓扑结构的电路结构图。
图4为本发明实施例一所述的通过串联型拓扑结构实现的超级电容的六种充放电模式电路图。
图5为本发明实施例二所述的控制装置的原理框图。
图6为本发明实施例三所述的控制方法的流程图。
图7为本发明实施例四所述的系统各部分损耗与逆变器侧电压关系图。
图8为本发明实施例四所述的可预测的超级电容的五种工作状态示意图。
图9为本发明实施例四所述的制动能量分布与线路电阻关系图。
图10为本发明实施例四所述的车在超级电容功率限制关系图。
其中：Q1-第一绝缘栅双极型晶体管；Q2-第二绝缘栅双极型晶体管；Q3-第三绝缘栅双极型晶体管；Q4-第四绝缘栅双极型晶体管；D1-第一二极管；D2-第二二极管；D3-第三二极管；D4-第四二极管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。
实施例一
如图3所示，本发明实施例一提供了一种车载超级电容串联型拓扑结构，所述超级电容的一端连接有第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管，所述超级电容的另一端连接有第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管；所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极连接所述超级电容的预充电电路，所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极连接负载；
所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第二绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管和所述第四绝缘栅双极型晶体管分别并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述预充电电路的输出端至所述负载间并联有支撑电容。
本发明实施例一所述的拓扑结构可实现超级电容的六种工作模式，如图4所示。
在列车牵引工况下，当所述第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为牵引-充电模式，如图4(a)所示；当所述第一绝缘栅双极型晶体管和第三绝缘栅双极型晶体管处于打开状态、所述第二绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为牵引-放电模式，如图4(b)所示；当所述第一绝缘栅双极型晶体管处于打开状态，所述第二、第三、和第四绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为牵引-待机模式，如图4(e)所示。
在列车制动工况下，当所述第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为制动-充电模式，如图4(c)所示；当所述第二绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管处于打开状态、所述第一绝缘栅双极型晶体管和第三绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为制动-放电模式，如图4(d)所示；当第二绝缘栅双极型晶体管处于打开状态，第一、第二、第三绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为制动-待机模式，如图4(f)所示。
实施例二
如图5所示，本发明实施例二提供一种如实施例一所述的拓扑结构的控制装置，该装置包括：
判断模块，用于判断车载超级电容能否在剩余制动时间内吸收地面超级电容无法吸收的剩余再生制动能量；
预测模块，用于预测超级电容下一时刻的直流侧电流、直流侧电压，以及电机的电流；
损耗计算模块，用于根据所述直流侧电流、直流侧电压以及电机的电流，计算下一时刻各充放电模式下的系统能耗；
模式选择模块，用于根据当前的列车工况，将下一时刻的超级电容的充放电模式进行分类，分别为当前模式、可切换模式和不可切换模式；
比例参数调整模块，用于调整分类后的不同充放电模式对应的比例缩放系数，对损耗计算模块计算出的损耗进行缩放；
比较模块，用于比较下一时刻各个充放电模式下的缩放后的能耗大小，确定能耗最低的充放电模式作为超级电容下一时刻的充放电模式。
实施例三
如图6所示，本发明实施例三提供一种利用如实施例二所述的装置对车载超级电容串联型交换器拓扑结构进行控制的方法，该方法包括如下流程步骤：
步骤S110：判断车载超级电容能否在剩余制动时间内吸收地面超级电容无法吸收的再生制动能量，若不能，则切换为强制升压模式；若能，则继续步骤S120；
步骤S120：预测超级电容下一时刻工作状态下的直流侧电流、直流侧电压，以及电机的电流；
步骤S130：根据所述直流侧电流、直流侧电压以及电机的电流，计算下一时刻各充放电模式下的系统能耗；
步骤S140：根据当前的列车工况，将可预测的下一时刻的超级电容的工作状态进行分类，分别为当前模式、可切换模式和不可切换模式；
步骤S150：调整分类后不同模式下的比例缩放系数，对损耗计算模块计算出的损耗进行缩放；比例缩放系数包括当前模式1对应的防抖动系数、可切换模式2对应的恒系数、不可切换模式3对应的剔除系数；
步骤S160：比较超级电容下一时刻各个充放电模式经过比例缩放环节后对应的系统能耗，确定能耗最低的超级电容充放电模式作为超级电容的下一充放电模式。
在本发明的具体实施例三中，所述系统能耗包括：线路损耗，逆变器损耗和电机损耗。
在本发明的具体实施例三中，所述步骤S110具体包括：
为了使车载式超级电容能够吸收多余的制动再生能量，则需要求出临界的时间ton，
由
Figure BDA0001902570790000101
将电压和时间的积分项分别放置左右两侧，对其进行积分可得：
Figure BDA0001902570790000111
u0表示当前时刻超级电容端电压，Δt为制动剩余时间，P为逆变器侧输入功率，则可得u1如下所示：
Figure BDA0001902570790000112
定义E1为此时车载超级电容能吸收的最大能量，则：
Figure BDA0001902570790000113
定义E2为此时地面储能装置吸收不了的能量，则：
E2＝Es-Eess
其中，Es为剩余再生制动能量，Eess为地面储能装置还能吸收的能量；
当同时满足
Figure BDA0001902570790000114
两个条件时，则根据损耗最低选择相应的工况，否则，车载超级电容强制为升压模式。
在本发明的具体实施例三中，所述步骤S120具体包括：
预测前后的超级电容储能系统逆变器输入功率不变，若此时超级电容处于升压状态，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC-Vc)idc1＝(VDC-2Vc)idc2
其中，idc1、idc2分别表示切除超级电容以及超级电容采用降压模式下的电流；
若此时超级电容为降压模式，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC+Vc)idc3＝(VDC+2Vc)idc4
其中，idc3、idc4分别表示切除超级电容以及超级电容采用升压模式下的电流；
若此时超级电容为待机模式，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC+Vc)idc5＝(VDC-Vc)idc6
其中，idc5、idc6分别表示超级电容采用升压模式下的电流以及超级电容采用降压模式下的电流。
在本发明的具体实施例三中，所述步骤S130具体包括：
线路损耗的计算公式如下所示，
Eline＝idc 2*Rline*Ts
其中，Eline表示一个采样周期内的线路损耗，idc为线路电流，Rline为线路电阻，Ts为采样周期；
逆变器及串联型拓扑结构的通态损耗如下所示：
Figure BDA0001902570790000121
Figure BDA0001902570790000122
逆变器的开关损耗如下式所示：
Figure BDA0001902570790000123
其中，VCE表示绝缘栅双极型晶体管IGBT的门槛电压，rCE表示IGBT的通态等效电阻，VFO表示二极管的通态电压降，rFO表示二极管的通态等效电阻，Im表示流过开关管的电流，Vout表示直流母线电压，Eon(t)、Eoff(t)分别表示IGBT开通、关断一次所需的能量，fout表示开关频率，m表示调制比，
Figure BDA0001902570790000124
表示功率因数；
电机的损耗如下所示：
Emotor＝Rs(id 2+iq 2)Ts
id和iq分别表示电机的直轴电流和交轴电流，Rs表示电机的定子电阻。
在本发明的具体实施例三中，所述步骤S140具体包括：
所述超级电容的工作状态包括：
状态一：在列车牵引状态下，未进入弱磁的低速区；
状态二：在列车牵引状态下，判断到电机即将进入弱磁区；
状态三：在列车牵引状态下，电机进入弱磁区；
状态四：在列车制动状态下，降压模式下的转矩无法满足电制动力的需求；
状态五：在列车制动状态下，降压模式下的转矩可以满足电制动力的需求；
所述状态一可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-充电模式、牵引-放电模式、牵引-待机模式、制动-充电模式、制动-放电模式及制动-待机模式；
所述状态三可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-放电模式、制动-充电模式、牵引-待机模式及制动待机模式；
所述状态四可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-放电模式、制动-充电模式、牵引-待机模式及制动待机模式；
所述状态五可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-充电模式、牵引-放电模式、牵引-待机模式、制动-充电模式、制动-放电模式及制动-待机模式。
在本发明的具体实施例三中，所述步骤S150具体包括：
假设模式1是当前时刻的模式，模式2是可以选择的模式，模式3是不被推荐的模式，K1、K2、K3的选取如下式所示：
Figure BDA0001902570790000131
K1为模式1的防抖动系数，K1越接近1，超级电容模式切换时，开关反复抖动的频率越高，K1越远离1，切换时的抖动越小，但系统损耗也随着增大；K2表示模式2的恒系数，模式2下可选择超级电容的工作状态；K3表示模式3的剔除系数，此时，超级电容的工作状态不可选择。
实施例四
如图3所示，为了减小车载超级电容拓扑的重量和体积，本发明实施例四提供一种采用串联型的超级电容拓扑，该拓扑由四个IGBT和一个超级电容组成，相比于传统的并联型拓扑，无需充电电感，大大减小了体积和重量。
图中，HB为高速断路器，FC为支撑电容，Q1、Q2、Q3和Q4分别为控制超级电容充放电的IGBT，D1、D2、D3和D4分别为其反并联二极管，EDLC为超级电容，M为永磁同步电机负载。该拓扑有如下表1六种工作模式，下表中的T1～T4分别代表IGBT管Q1～Q4的开关状态，1代表开通，0代表关闭。
表1：超级电容拓扑的工作模式
Figure BDA0001902570790000132
如图4所示，支撑电容两端电压为VFC，超级电容两端电压为Vc，逆变器直流侧电压为Vdc。
在模式(a)和模式(d)中，Vdc＝VFC-Vc，逆变器侧处于降压模式；
在模式(b)和模式(c)中，Vdc＝VFC+Vc，逆变器侧处于升压模式；
在模式(e)和模式(f)中，Vdc＝VFC，处于待机模式。
该拓扑下，车载超级电容的容量配置如下所示。
与并联式拓扑可以调节充放电电流不同，该串联拓扑的充放电电流不可调节，因此其能够吸收的能量与直流侧电流、及其自身端电压密切相关。
电容两侧的电压与电流的关系如式(1)所示。
Figure BDA0001902570790000141
由上式可以写出电压和时间的关系如下，其中U0为车载超级电容最大端电压。
Figure BDA0001902570790000142
式中，当时间t＝tbrake时，需使电压小于超级电容最大电压，即：
Figure BDA0001902570790000143
同时，超级电容的电压电流还呈现出如下的关系。
Figure BDA0001902570790000144
将式(2)与式(4)联立求解，可得电压和电流与时间的关系如下所示。
Figure BDA0001902570790000145
Figure BDA0001902570790000146
将电压和电流相乘，对时间t进行积分，可得到如下不等式
Figure BDA0001902570790000147
另一个制约条件是对吸收能量的需求，如式(8)所示，其中Ebrake为剩余再生制动能量，Em为地面式超级电容能够吸收的能量。
Figure BDA0001902570790000151
根据以上三个式子，即可以计算出U0和C的大致范围。
在这样的配置下，基本可以满足车载超级电容对地面超级电容的补充作用。
车载超级电容作为对地面超级电容的补充，在剩余再生制动能量较大时进行补充，防止再生制动失效。但很多情况下，地面超级电容可以吸收所有的剩余再生制动能量，此时，车载超级电容作为一个辅助储能元件，可以通过对其的充放电工况进行调节，进而转移制动能量，达到使系统损耗最小的目的。如图7所示，是系统各部分损耗和逆变器侧直流电压的关系图。由图7可以看到，在固定的线路阻抗下，随着直流侧电压的上升，线路损耗越来越小，逆变器损耗越来越大，系统总损耗降低，说明在某些线路阻抗下，提升逆变器侧直流电压，可以达到减小系统损耗的作用。因此，可以利用车载式超级电容对逆变器侧电压的调节，来使系统的损耗降到最低。
损耗最优算法主要分成五个部分，即损耗的计算部分，电流的计算部分，模式的选择部分，比例参数调整部分以及比较部分。
首先是损耗部分。为了降低系统的损耗，我们首先需要对系统的各部分损耗进行计算，如下是系统各部分损耗计算过程。
由于该串联型拓扑开关次数较少，开关损耗较小，忽略该部分损耗和超级电容内阻的损耗，剩余部分损耗主要由三部分构成，即线路损耗，逆变器损耗和电机损耗。
线路损耗的计算公式如下所示。
Eline＝idc 2*Rline*Ts (9)
其中，Eline为一个采样周期内线路上的损耗，idc为线路电流，Rline为线路电阻，Ts为采样周期。
逆变器及其反向并联二极管的通态损耗如式(10)和(11)所示。
Figure BDA0001902570790000152
Figure BDA0001902570790000161
逆变器的开关损耗如式(12)所示。
Figure BDA0001902570790000162
参数说明:VCE---IGBT门槛电压；rCE---IGBT通态等效电阻；VFO---并联二极管的通态电压降；rCE---二极管的通态等效电阻；Im---流过开关管的电流；Vout---直流母线电压；Eon(t),Eoff(t)---IGBT开通、关断一次所需的能量；fout---开关频率；N＝fs/fout；m---调制比；
Figure BDA0001902570790000163
---功率因数。
电机的损耗如下所示。
Emotor＝Rs(id 2+iq 2)Ts (13)
id和iq分别为电机的直轴电流和交轴电流，Rs为电机的定子电阻。
预测模块，要把系统的损耗降到最低，需要对直流侧电流、电压，以及电机的电流进行预测，具体的预测流程如下所示。
第一方面是直流侧电压和电流的预测。针对第一个方面，假设预测前后的逆变器输入功率不变，若此时超级电容处于升压状态，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC-Vc)idc1＝(VDC-2Vc)idc2 (14)
此时的idc1和idc2分别为切除超级电容以及超级电容采用降压模式下的电流。
若此时为超级电容降压模式，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC+Vc)idc3＝(VDC+2Vc)idc4 (15)
此时的idc3和idc4分别为切除超级电容以及超级电容采用升压模式下的电流。
若此时超级电容未工作，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC+Vc)idc5＝(VDC-Vc)idc6 (16)
此时的idc5和idc6分别为超级电容采用升压模式下的电流以及超级电容采用降压模式下的电流。
因此，idc的预测电流表如表2所示。
表2 idc预测电流表
Figure BDA0001902570790000171
第二方面是电机电流的预测。第二个方面的预测，主要是考虑到电机在进入弱磁前后的电机损耗并不相同，假设预测前后，电机的输出转矩和转速不发生变化，具体的预测过程如下所示。
在MTPA控制下，电机运行在恒转矩曲线与MTPA曲线的交点，为了方便计算，将MTPA曲线线性化，恒转矩方程以及MTPA线性方程如式17和18所示。
Figure BDA0001902570790000172
id＝kiq (18)
其中，Pn为电机的极对数，k为MTPA线性曲线斜率。
方程的解如下，即MTPA控制下，id和iq如下所示。
Figure BDA0001902570790000173
在单电流环控制下，电机运行在恒转矩曲线和电压极限圆的交点，电压极限圆的方程如下所示。
Figure BDA0001902570790000174
由于恒转矩方程与电压极限圆方程联立后为一元四次方程，没有较为单一的求解公式，在线求解较为困难，因此若碰上从MTPA到弱磁控制，则先不抬升电压，使其进入弱磁，通过此时的测量值与预测的MTPA状态下电流作比较，来计算此时损耗最小的方式，选择此时超级电容的状态。
由于并不是所有状态都需要进行电流预测，在牵引和制动过程中，有很多状态并不存在预测的必要性，因此，需要选择出合理的需要进行预测的状态，本专利综合考虑了超级电容SOC、电机输出功率以及计算难度等多个方面，在所有运行状态中选择除了可以进行预测的5个状态，如图8所示。状态一：在列车牵引状态下，未进入弱磁的低速区；状态二：在列车牵引状态下，判断到电机即将进入弱磁区；状态三：在列车牵引状态下，电机进入弱磁区；状态四：在列车制动状态下，降压模式下的转矩无法满足电制动力的需求；状态五：在列车制动状态下，降压模式下的转矩可以满足电制动力的需求。
模式选择结束后，随后是比例调整部分。如图6中三个模式，假设模式1是当前时刻的模式，模式2是可以选择的模式，模式3是不被推荐的模式，K1、K2、K3的选取如下式所示。
Figure BDA0001902570790000181
K1为防抖动系数，K1越接近1，超级电容模式切换时，开关反复抖动的频率越高，K1越远离1，切换时的抖动越小，但系统损耗也随着增大，因此，需要在满足抖动要求的前提下使K1尽可能的接近1。K3为剔除系数，目的是提出不推荐或者不允许的状态。
下边考虑车载超级电容和地面超级电容的能量管理策略，使得按本文配置的车载超级电容能够完全替代制动电阻。该能量管理策略从两方面来阐述。
一方面，如图9所示，是损耗最优算法下，随着线路电阻变化的能量分布。从图中可以看到，随着线路电阻的减小，车载超级电容能够吸收的能量越来越少，尤其当线路电阻减小到一定程度，车载制动电阻将重新启动，无法达到预期的效果。
从另一方面来说，由于车载超级电容的串联结构，其充放电电流无法调节，与直流侧电流一致，这就使其不能在短时间内吸收掉地面超级电容吸收不了的能量，如图10所示。图中，PMAX为车载超级电容所能达到的最大功率，区域①面积为地面式超级电容所能吸收的最大能量，区域②面积为地面式超级电容无法吸收的能量，为了使车载式超级电容能够吸收这部分能量，防止再生制动失效的发生，就需要让区域③的面积大于等于区域②的面积，即需要求出临界的时间ton。
让式(1)与式(4)的电流相等，可以得到如下的式子
Figure BDA0001902570790000191
将电压和时间的积分项分别放置左右两侧，对其进行积分可得式(22)
Figure BDA0001902570790000192
u0为当前时刻超级电容端电压，△t为制动剩余时间，P为逆变器侧输入功率，根据式(22)可解出u1如下所示。
Figure BDA0001902570790000193
定义E1为此时车载式超级电容能吸收的最大能量，E1计算如下所示。
Figure BDA0001902570790000194
定义E2为此时地面储能装置吸收不了的能量，计算如下所示。
E2＝Es-Eess (25)
其中Es为剩余再生制动能量，Eess为地面储能装置还能吸收的能量。
当同时满足以下两个条件时，可以使用上一节的减小损耗的算法，否则，车载储能装置强制为升压模式。
Figure BDA0001902570790000195
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种车载超级电容串联型拓扑结构的控制装置，其特征在于，包括：
判断模块，用于判断车载超级电容能否在剩余制动时间内吸收地面超级电容无法吸收的剩余再生制动能量；
预测模块，用于预测超级电容下一时刻的直流侧电流、直流侧电压，以及电机的电流；
损耗计算模块，用于根据所述直流侧电流、直流侧电压以及电机的电流，计算下一时刻各充放电模式下的系统能耗；
模式选择模块，用于根据当前的列车工况，将下一时刻的超级电容的充放电模式进行分类，分别为当前模式、可切换模式和不可切换模式；
比例参数调整模块，用于调整分类后的不同充放电模式对应的比例缩放系数，对损耗计算模块计算出的损耗进行缩放；
比较模块，用于比较下一时刻各个充放电模式下的缩放后的能耗大小，确定能耗最低的充放电模式作为超级电容下一时刻的充放电模式；
所述车载超级电容串联型拓扑结构包括，所述超级电容的一端连接有第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管，所述超级电容的另一端连接有第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管；所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极连接所述超级电容的预充电电路，所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极连接负载；
所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第二绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管和所述第四绝缘栅双极型晶体管分别并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述预充电电路的输出端至所述负载间并联有支撑电容。
2.根据权利要求1所述的车载超级电容串联型拓扑结构的控制装置，其特征在于：
在列车牵引工况下，当所述第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为牵引-充电模式；当所述第一绝缘栅双极型晶体管和第三绝缘栅双极型晶体管处于打开状态、所述第二绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为牵引-放电模式；当所述第一绝缘栅双极型晶体管处于打开状态，所述第二、第三、和第四绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为牵引-待机模式；
在列车制动工况下，当所述第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为制动-充电模式；当所述第二绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管处于打开状态、所述第一绝缘栅双极型晶体管和第三绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为制动-放电模式；当第二绝缘栅双极型晶体管处于打开状态，第一、第四、第三绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述超级电容的充放电模式为制动-待机模式。
3.一种使用如权利要求1或2所述的装置对车载超级电容串联型拓扑结构进行控制的方法，其特征在于，包括如下流程步骤：
步骤S110：判断车载超级电容能否在剩余制动时间内吸收地面超级电容无法吸收的再生制动能量，若不能，则切换为强制升压模式；若能，则继续步骤S120；
步骤S120：预测超级电容下一时刻工作状态下的直流侧电流、直流侧电压，以及电机的电流；
步骤S130：根据所述直流侧电流、直流侧电压以及电机的电流，计算下一时刻各充放电模式下的系统能耗；
步骤S140：根据当前的列车工况，将可预测的下一时刻的超级电容的工作状态进行分类，分别为当前模式、可切换模式和不可切换模式；
步骤S150：调整分类后不同模式下的比例缩放系数，对损耗计算模块计算出的损耗进行缩放；比例缩放系数包括当前模式1对应的防抖动系数、可切换模式2对应的恒系数、不可切换模式3对应的剔除系数；
步骤S160：比较超级电容下一时刻各个充放电模式经过比例缩放环节后对应的系统能耗，确定能耗最低的超级电容充放电模式作为超级电容的下一充放电模式。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述系统能耗包括：线路损耗，逆变器损耗和电机损耗。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S110具体包括：
为了使车载式超级电容能够吸收多余的制动再生能量，则需要求出临界的时间ton，
由
Figure FDA0002948296290000031
将电压和时间的积分项分别放置左右两侧，对其进行积分可得：
Figure FDA0002948296290000032
u0表示当前时刻超级电容端电压，u1表示下一时刻超级电容端电压，t1表示下一时刻，t0表示当前时刻，Δt为制动剩余时间，P为逆变器侧输入功率，Udc表示充电电压给定值，Ue表示超级电容最大端电压，则可得u1如下所示：
Figure FDA0002948296290000033
定义E1为此时车载超级电容能吸收的最大能量，则：
Figure FDA0002948296290000041
定义E2为此时地面储能装置吸收不了的能量，则：
E2＝Es-Eess
其中，Es为剩余再生制动能量，Eess为地面储能装置还能吸收的能量；
当同时满足
Figure FDA0002948296290000042
两个条件时，则根据损耗最低选择相应的工况，否则，车载超级电容强制为升压模式。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S120具体包括：
预测前后的超级电容储能系统逆变器输入功率不变，若此时超级电容处于升压状态，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC-Vc)idc1＝(VDC-2Vc)idc2
其中，idc1、idc2分别表示切除超级电容以及超级电容采用降压模式下的电流；
若此时超级电容为降压模式，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC+Vc)idc3＝(VDC+2Vc)idc4
其中，idc3、idc4分别表示切除超级电容以及超级电容采用升压模式下的电流；
若此时超级电容为待机模式，则满足如下等式
VDCidc＝(VDC+Vc)idc5＝(VDC-Vc)idc6
其中，idc5、idc6分别表示超级电容采用升压模式下的电流以及超级电容采用降压模式下的电流，VDC表示逆变器直流侧电压，Vc表示超级电容两端电压。
7.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，所述步骤S130具体包括：
线路损耗的计算公式如下所示，
Eline＝idc 2*Rline*Ts
其中，Eline表示一个采样周期内的线路损耗，idc为线路电流，Rline为线路电阻，Ts为采样周期；
逆变器及串联型拓扑结构的通态损耗如下所示：
Figure FDA0002948296290000051
Figure FDA0002948296290000052
逆变器的开关损耗如下式所示：
Figure FDA0002948296290000053
其中，VCE表示绝缘栅双极型晶体管IGBT的门槛电压，rCE表示IGBT的通态等效电阻，VFO表示二极管的通态电压降，rFO表示二极管的通态等效电阻，Im表示流过开关管的电流，Vout表示直流母线电压，Eon、Eoff分别表示IGBT开通、关断一次所需的能量，fout表示开关频率，m表示调制比，
Figure FDA0002948296290000054
表示功率因数；
电机的损耗如下所示：
Emotor＝Rs(id 2+iq 2)Ts
id和iq分别表示电机的直轴电流和交轴电流，Rs表示电机的定子电阻。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S140具体包括：
所述超级电容的工作状态包括：
状态一：在列车牵引状态下，未进入弱磁的低速区；
状态二：在列车牵引状态下，判断到电机即将进入弱磁区；
状态三：在列车牵引状态下，电机进入弱磁区；
状态四：在列车制动状态下，降压模式下的转矩无法满足电制动力的需求；
状态五：在列车制动状态下，降压模式下的转矩可以满足电制动力的需求；
所述状态一可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-充电模式、牵引-放电模式、牵引-待机模式、制动-充电模式、制动-放电模式及制动-待机模式；
所述状态三可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-放电模式、制动-充电模式、牵引-待机模式及制动待机模式；
所述状态四可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-放电模式、制动-充电模式、牵引-待机模式及制动待机模式；
所述状态五可选择的超级电容下一时刻工作模式包括牵引-充电模式、牵引-放电模式、牵引-待机模式、制动-充电模式、制动-放电模式及制动-待机模式。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S150具体包括：
假设模式1是当前时刻的模式，模式2是可以选择的模式，模式3是不被推荐的模式，K1、K2、K3的选取如下式所示：
Figure FDA0002948296290000061
K1为模式1的防抖动系数，K1越接近1，超级电容模式切换时，开关反复抖动的频率越高，K1越远离1，切换时的抖动越小，但系统损耗也随着增大；K2表示模式2的恒系数，模式2下可选择超级电容的工作状态；K3表示模式3的剔除系数，此时，超级电容的工作状态不可选择。
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"Variable-Form Carrier-Based PWM for Boost-Voltage Motor Driver With a Charge-Pump Circuit ";Hirokazu Matsumoto 等;《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》;20150216;第62卷(第8期);第4728-4738页 *
"超级电容有轨电车新型充电系统研究";戎琳 等;《电力电子技术》;20180531;第52卷(第5期);第44-47页 *
Hirokazu Matsumoto 等."Variable-Form Carrier-Based PWM for Boost-Voltage Motor Driver With a Charge-Pump Circuit ".《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》.2015,第62卷(第8期), *

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