CN109733201B - 城轨列车再生制动能量吸收利用系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种城轨列车再生制动能量吸收利用系统的控制方法，其特征在于：包括地面控制系统、地面逆变器、逆变器控制系统、车载控制系统、列车制动系统、能量分配系统、车载超级电容器和电容器控制系统；所述控制方法包括：（一）将制动信号发送给车载控制系统；（二）获取当前列车的发车时间间隔△t；（三）获取当前的有效再生制动反馈总能量

；（四）对

进行分配得到地面逆变器反馈能量

和车载电容器反馈能量

；（五）车载超级电容器对车载电容器反馈能量

进行吸收；地面逆变器对地面逆变器反馈能量

进行吸收。采用本发明所述的方法，有效延长列车车载超级电容器使用寿命，提高地面逆变器利用率，有效降低列车的使用、维护成本。

Description

城轨列车再生制动能量吸收利用系统的控制方法

技术领域

本发明涉及交通运输技术领域，特别是一种城轨列车再生制动能量吸收利用系统的控制方法。

背景技术

城市轨道交通牵引变电所通常采用二极管整流，由于二极管的单向导通性，当列车制动时，多余的再生制动能量不能通过牵引变电所返送至上级中压网络，如果附近没有其它处于牵引状态的列车来吸收再生制动能量，也没有其它储能装置来存储该能量，那么受电弓处的电压将急剧上升，当电压超过规定上限值时，将由电阻耗能，从而使再生制动失效。

近年来，超级电容器储能和逆变回馈技术被运用到了城市轨道交通系统中，用于降低能耗及解决列车再生制动失效问题。当列车制动产生再生制动能量时，牵引电动机改为发电机工况，将列车的再生制动能量转换为电能，优先为同一牵引段下相邻列车牵引提供能量，剩余的部分作为再生制动反馈能量被本车车载超级电容器吸收(当列车再次起动或加速时将能量重新释放给列车自身使用)，无法吸收的能量则通过地面逆变器向牵引变电站内用电设备放电。通过上述方式对列车再生制动能量进行回收利用，节约能耗，降低运营成本，同时，由于车载超级电容器组的缓冲作用，还可避免列车频繁起动和制动对直流供电网冲击，改善供电质量。

然而，上述现有技术在实施过程中，存在车载超级电容器使用寿命短、地面逆变器闲置率高的问题，由于车载超级电容器造价高，更换费时费力，使得列车的使用、维护成本升高，很不经济。

发明内容

针对背景技术的问题，本发明提供一种城轨列车再生制动能量吸收利用系统的控制方法，以解决现有技术中，列车车载超级电容器使用寿命短、地面逆变器闲置率高，造成列车的使用、维护成本高的问题。

本发明提供了一种城轨列车再生制动能量吸收利用系统的控制方法，其创新点在于：包括地面控制系统、地面逆变器、逆变器控制系统、车载控制系统、列车制动系统、能量分配系统、车载超级电容器和电容器控制系统；所述控制方法包括：

(一)列车制动时，列车制动系统将制动信号发送给车载控制系统；

(二)车载控制系统接收到制动信号后，从地面控制系统获取当前列车所处牵引段实际的发车时间间隔Δt；

(三)车载控制系统根据Δt按方法一获取当前的有效再生制动反馈总能量E^rbf，并将E^rbf数据发送给能量分配系统；

(四)能量分配系统对E^rbf按方法二进行分配得到地面逆变器反馈能量E_inv和车载电容器反馈能量E_SC；能量分配系统将地面逆变器反馈能量E_inv分配给逆变器控制系统，将车载电容器反馈能量E_SC分配给电容器控制系统；

(五)电容器控制系统按方法三控制车载超级电容器对车载电容器反馈能量E_SC进行吸收；同时，逆变器控制系统控制地面逆变器对地面逆变器反馈能量E_inv进行吸收并向牵引变电站内用电设备放电；

所述方法一包括：

车载控制系统按公式一获取列车当前的吸收系数k；然后按公式二获取列车当前的有效再生制动反馈总能量E^rbf；

所述公式一为：

k＝α+βΔt

其中，吸收系数k为被吸收制动能量与有效再生制动能量的比值，所述被吸收制动能量为同一牵引段下与该列车相邻的其它列车吸收的制动能量；α为常数，β为回归系数；α和β的值按如下方式获取：根据列车管理系统记录的历史运行数据，统计出各历史发车间隔时间Δt′及其对应的历史吸收系数k’，采用一元线性回归分析法建立数学模型：k′＝α+βΔt′，根据上述数学模型采用最小二乘法获取α和β的值；

所述公式二为：

E^rbf＝E^rb(1-k)

其中E^rb为有效再生制动能量，按公式三获取；

所述公式三为：

其中，t为再生制动时间，按公式四获取；ΔE为再生制动时间t时域内的动能变化量，ΔE按公式五获取；F₀为列车制动过程中的基本阻力；F_a为列车制动过程中的附加阻力，包括坡道附加阻力、曲线附加阻尼和隧道附加阻力；η_I为主逆变器效率，η_M为电机制动效率，η_G为齿轮箱传动效率，η_I、η_M和η_G均为常数；P_A为辅助系统功率，P_A为常数；v为列车速度；

所述公式四为：

其中，v₁为列车制动开始速度；v₂为列车制动结束速度；a为列车制动加速度；

所述公式五为：

其中，M为列车的等效质量，按公式六获取；

所述公式六为：

M＝M₁(1+γ)+M₂

其中，M₁为列车的自重，M₂为列车的负载，γ为列车的回转质量系数；

所述方法二包括：

能量分配系统按公式七获取地面逆变器反馈能量E_inv，按公式八获取车载电容器反馈能量E_SC；

所述公式七为：

其中，τ为低通滤波器的滤波时间常数，为一设定值；s为微分算子；

所述公式八为：

E_SC＝E^rbf-E_inv

所述方法三包括：

所述车载超级电容器由多个超级电容器组并联而成，单个超级电容器组由多个电容单体串联而成；电容器控制系统按公式九获取当前应当投入的超级电容器总容量C_sc，然后按公式十获取单个超级电容器组的电容单体串联数n，然后按公式十一获取当前应投入并联的超级电容器组的个数m；电容器控制系统控制m个并联的超级电容器组对车载电容器反馈能量E_SC进行吸收；

所述公式九为：

其中，η_D为双向直流DC/DC变换器的效率；U_cmax为车载超级电容器的最高工作电压；U_cmin为车载超级电容器的最低工作电压；

所述公式十为：

其中，U_c-cell为电容单体电压；

所述公式十一为：

其中，C_c-cell为电容单体容量；m的值向上取整。

作为优化，所述步骤五中，电容器控制系统采用动态循环的方式选择m个并联的超级电容器组对车载电容器反馈能量E_SC进行吸收。

本发明的原理如下：

城市轨道交通客流量根据时间段不同可分为高峰期、平峰期和低峰期。客流量不同，列车发车密度也有所不同，通常列车发车时间间隔为2分半到10分钟，甚至更长。由于列车有效再生制动能量优先为同一牵引段下相邻列车牵引提供能量，剩下部分作为有效再生制动反馈能量才被车载超级电容器和地面逆变器回收利用。所以，在不同发车密度下，能被回收利用的有效再生制动反馈能量存在较大差异。通常，我们用吸收系数k来表示同一牵引段下与该列车相邻的其它列车吸收的制动能量与有效再生制动能量的比值。在客流高峰期，发车间隔时间短，同一牵引段下运行的列车数量较多，相邻列车间的能量交互频繁，此时吸收系数k值较大，能被回收利用的有效再生制动反馈能量较小，所需车载超级电容器和地面逆变器的容量较小；在客流低峰期，发车间隔时间长，同一牵引段下运行的列车数量较少，则相邻列车间的能量交互频率低，此时吸收系数k值较小，能被回收利用的有效再生制动反馈能量较高，所需车载超级电容器和地面逆变器的容量较大。在不同的发车密度条件下，吸收系数k的变化范围通常为20％-80％。

列车在设计阶段由于无法确定实际的吸收系数k，设计人员通常在考虑一定裕量的情况下，按吸收系数k为20％来设计列车的车载超级电容器的大小。然而，列车在实际运行过程中，大多数情况下吸收系数k都大于20％，所需用于吸收有效再生制动反馈能量的车载超级电容器的容量都小于设计容量。现有技术中，不管列车制动产生的有效再生制动反馈能量大小，不管对车载超级电容器的实际需求的大小，每次都将全部车载超级电容器投入使用，造成车载超级电容器充、放电次数过多，使用寿命大大缩短；另一方面，由于大多数情况下有效再生制动反馈能量都能被车载超级电容器完全吸收，导致地面逆变器大多数情况下处于闲置状态，利用率较低，不仅不能充分发挥地面逆变器的作用，合理利用再生制动反馈能量，造成设施浪费，且无助于降低车载超级电容器的负担，延长车载超级电容器的寿命。

发明人通过研究发现，发车时间间隔Δt和吸收系数k之间的关系，不是函数关系而是相关关系。以发车时间间隔Δt为自变量，以吸收系数k为因变量，观察Δt与k的相关关系的形态并绘制如附图1所示的散点图。从图中可看出，随着发车时间间隔Δt的缩短，吸收系数k也相应变大，而且样本点的分布仅仅围绕在一条直线上下，表明吸收系数k与发车时间间隔Δt之间存在非常密切的线性负相关关系，所以吸收系数k与发车时间间隔Δt的回归方程应该是个一元线性回归方程：k＝α+βΔt。根据最小二乘法，从样本数据确定常数项α与回归系数β的值之后，样本一元线性回归方程即可作为预测模型，即一元线性回归预测模型。列车在实际运行过程中，当从列车管理系统获得一个实际的发车间隔Δt后，就可以得到一个与之对应的吸收系数k的值，当列车制动时，就可以根据实际的吸收系数k获取当次列车制动后产生的有效再生制动能量E^rb的大小，进而得到有效再生制动反馈总能量E^rbf。

发明人还发现，在对列车有效再生制动能量的回收利用的分配方面，车载超级电容器和地面逆变器特性不同：车载超级电容器的充放电速度快，擅长于对列车制动突变产生的有效再生制动反馈总能量的中的高频能量进行吸收；而地面逆变器是将有效再生制动能量回馈至牵引变电站的大容量电网，作为长时间能量吸收的装置，更擅长于对有效再生制动反馈总能量中的低频能量的吸收。本发明通过采用低通滤波技术将有效再生制动反馈总能量分为两部分：低频能量和高频能量，将低频能量分配给地面逆变器吸收利用，而高频能量分配给车载超级电容器吸收利用。上述方法，使地面逆变器和车载超级电容器各司其职，两套设备同时对有效再生制动反馈总能量E^rbf进行吸收利用，充分发挥各自的优势，使地面逆变器得到了充分的利用，同时由于减少了车载超级电容器吸收能量，所以有效地降低了车载超级电容器的工作负担。

另一方面，由于列车的车载超级电容器在设计时考虑了充足的富裕量，而且有地面逆变器对有效再生制动反馈总能量E^rbf的分担利用，在实际使用中留给车载超级电容器吸收的能量E_SC通常小于设计能力，所以实际需要投入并联的超级电容器组的组数通常小于设计组数。由此可知，列车每次制动后，只需要控制部分超级电容器组来工作就能完成对车载电容器反馈能量E_SC的吸收利用，而其余部分则不工作，以减少充放电次数。作为优化方案，每次列车制动后，电容器控制系统采用动态循环的方式选择不同的超级电容器组轮流工作，以使各个超级电容器组投入使用的次数大致相等，寿命差别不大，这样就不会造成某些超级电容器组频繁使用，而其它超级电容器组使用次数较少的不正常现象，避免对部分动作次数过多的超级电容器组提前更换。

由此可见，采用本发明的方法，车载超级电容器的利用更合理，总体上降低了车载超级电容器的的充、放电次数，有效延长了车载超级电容器的使用寿命；另一方面，通过对有效再生制动反馈总能量的合理分配，不仅充分利用并发挥了地面逆变器的功能，更降低了车载超级电容器的负担，进一步延长了车载超级电容器的寿命，从而大大降低了列车的使用、维护成本。

附图说明

本发明的附图说明如下。

附图1历史发车间隔Δt′和历史吸收系数k’的一元线性回归直线示意图；

附图2超级电容器组的开关控制电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明所述的城轨列车再生制动能量吸收利用系统的控制方法，涉及的硬件包括地面控制系统、地面逆变器、逆变器控制系统、车载控制系统、列车制动系统、能量分配系统、车载超级电容器和电容器控制系统；

所述控制方法包括：

(一)列车制动时，列车制动系统将制动信号发送给车载控制系统；

(二)车载控制系统接收到制动信号后，从地面控制系统获取当前列车所处牵引段实际的发车时间间隔Δt；

(三)车载控制系统根据Δt按方法一获取当前的有效再生制动反馈总能量E^rbf，并将E^rbf数据发送给能量分配系统；

所述方法一包括：

车载控制系统按公式一获取列车当前的吸收系数k；然后按公式二获取列车当前的有效再生制动反馈总能量E^rbf；

所述公式一为：

k＝α+βΔt

其中，吸收系数k为被吸收制动能量与有效再生制动能量的比值，所述被吸收制动能量为同一牵引段下与该列车相邻的其它列车吸收的制动能量；α为常数，β为回归系数；

α和β的值按如下方式获取：

如附图1所示，根据列车管理系统记录的历史运行数据，横坐标为历史发车间隔时间Δt′(单位为秒s)，纵坐标为对应的历史吸收系数k’，在120s至600s内统计出8种典型的历史发车间隔时间Δt′及其对应的历史吸收系数k’，采用一元线性回归分析法建立一个直线方程形式的数学模型：k′＝α+βΔt′，根据上述数学模型采用最小二乘法(又称最小平方法)即可获取α和β的值；

所述公式二为：

E^rbf＝E^rb(1-k)

其中E^rb为有效再生制动能量，按公式三获取；

所述公式三为：

其中，t为再生制动时间，按公式四获取；ΔE为再生制动时间t时域内的动能变化量，ΔE按公式五获取；F₀为列车制动过程中的基本阻力，该基本阻力为只考虑列车运行在无坡道的平直线路状态时所受的阻力，可根据现有技术的方法计算获得；F_a为列车制动过程中的附加阻力，包括坡道附加阻力、曲线附加阻尼和隧道附加阻力，F_a本领域技术员可根据现有技术通过计算获得；η_I为主逆变器效率，η_M为电机制动效率，η_G为齿轮箱传动效率，η_I、η_M和η_G均为常数，均可根据相应设备的技术参数获取；；P_A为辅助系统功率，P_A为常数；v为列车速度；

所述公式四为：

其中，v₁为列车制动开始速度；v₂为列车制动结束速度；a为列车制动加速度；对于城轨列车来说，当车速降低到大约10km/h以下时，放弃再生电制动，完全采用机械式的闸瓦实现制动，所以v₂通常大于或等于10km/h；

所述公式五为：

其中，M为列车的等效质量，按公式六获取；

所述公式六为：

M＝M₁(1+γ)+M₂

其中，M₁为列车的自重，M₂为列车的负载，γ为列车的回转质量系数；M₁、γ均可根据列车自身参数确定，列车设计好后，这两个参数就确定了。

列车负载M₂的等级由低到高可分为AW₀、AW₁、AW₂和AW₃。其中，AW₀为空载，该工况发生的概率较小；AW₁为满坐，指车上的座位都坐满，没有乘客站着的情况，这种情况存在但并不是很多；AW₃为重载，一般只有在上下班高峰期或节假日才会达到该负载等级，且高峰时段再生制动能量的直接利用率也相对较高；AW₂为额定负载，按照车厢内每平方6人计，这是绝大部分时间车辆的负载情况，因此，从工程设计中经济角度出发，以额定负载AW₂作为储能系统容量设计依据较为合理。

(四)能量分配系统对E^rbf按方法二进行分配得到地面逆变器反馈能量E_inv和车载电容器反馈能量E_SC；能量分配系统将地面逆变器反馈能量E_inv分配给逆变器控制系统，将车载电容器反馈能量E_SC分配给电容器控制系统；

所述方法二包括：

能量分配系统采用低通滤波技术，将有效再生制动反馈总能量E^rbf的一部分分配给地面逆变器，剩余的部分分配给车载超级电容器组。具体来说，按公式七获取地面逆变器反馈能量E_inv，按公式八获取车载电容器反馈能量E_SC；

所述公式七为：

其中，τ为低通滤波器的滤波时间常数，为一设定值；s为微分算子；

所述公式八为：

E_SC＝E^rbf-E_inv

(五)电容器控制系统按方法三控制车载超级电容器对车载电容器反馈能量E_SC进行吸收；同时，逆变器控制系统控制地面逆变器对地面逆变器反馈能量E_inv进行吸收并向牵引变电站内用电设备放电；

所述方法三包括：

所述车载超级电容器由多个超级电容器组并联而成，单个超级电容器组由多个电容单体串联而成；电容器控制系统按公式九获取当前应当投入的超级电容器总容量C_sc，然后按公式十获取单个超级电容器组的电容单体串联数n，然后按公式十一获取当前应投入并联的超级电容器组的个数m；

所述公式九为：

其中，η_D为双向直流DC/DC变换器的效率；U_cmax为车载超级电容器的最高工作电压；U_cmin为车载超级电容器的最低工作电压；U_cmax和U_cmin根据列车供电系统参数确定；

所述公式十为：

其中，U_c-cell为电容单体电压，根据电容单体参数确定；

所述公式十一为：

其中，C_c-cell为电容单体容量；m的值向上取整。

电容器控制系统采用动态循环的方式选择m个并联的超级电容器组对车载电容器反馈能量E_SC进行吸收。

上述动态循环的控制方式举例如下：

设超级电容器组的设计组数为L个，设列车第一次制动需投入m₁个并联的超级电容器组工作，列车第二次制动需投入m₂个并联的超级电容器组工作。如附图2所示的超级电容器组的开关控制电路，当列车第一次制动时，控制电子开关S₁～S_m1导通，使超级电容器组SC₁～SC_m1投入工作；列车第二次制动时，控制电子开关S_m1+1～S_m1+m2导通，使超级电容器组SC_m1+1～SC_m1+m2投入工作。若m₁+m₂>L，则按顺序循环控制电子开关S₁～S_L，让各超级电容器组“轮流”工作，以此类推。

本发明中应用到的最小二乘法和低通滤波技术等都为现有技术中十分常见的处理手段，相关的内容，本领域技术人员可从现有技术的相关文献中获取。

Claims (2)

1.一种城轨列车再生制动能量吸收利用系统的控制方法，其特征在于：包括地面控制系统、地面逆变器、逆变器控制系统、车载控制系统、列车制动系统、能量分配系统、车载超级电容器和电容器控制系统；所述控制方法包括：

(一)列车制动时，列车制动系统将制动信号发送给车载控制系统；

(二)车载控制系统接收到制动信号后，从地面控制系统获取当前列车所处牵引段实际的发车时间间隔Δt；

(三)车载控制系统根据Δt按方法一获取当前的有效再生制动反馈总能量E^rbf，并将E^rbf数据发送给能量分配系统；

(四)能量分配系统对E^rbf按方法二进行分配得到地面逆变器反馈能量E_inv和车载电容器反馈能量E_SC；能量分配系统将地面逆变器反馈能量E_inv分配给逆变器控制系统，将车载电容器反馈能量E_SC分配给电容器控制系统；

(五)电容器控制系统按方法三控制车载超级电容器对车载电容器反馈能量E_SC进行吸收；同时，逆变器控制系统控制地面逆变器对地面逆变器反馈能量E_inv进行吸收并向牵引变电站内用电设备放电；

所述方法一包括：

车载控制系统按公式一获取列车当前的吸收系数k；然后按公式二获取列车当前的有效再生制动反馈总能量E^rbf；

所述公式一为：

k＝α+βΔt

其中，吸收系数k为被吸收制动能量与有效再生制动能量的比值，所述被吸收制动能量为同一牵引段下与该列车相邻的其它列车吸收的制动能量；α为常数，β为回归系数；α和β的值按如下方式获取：根据列车管理系统记录的历史运行数据，统计出各历史发车间隔时间Δt′及其对应的历史吸收系数k’，采用一元线性回归分析法建立数学模型：k′＝α+βΔt′，根据上述数学模型采用最小二乘法获取α和β的值；

所述公式二为：

E^rbf＝E^rb(1-k)

其中E^rb为有效再生制动能量，按公式三获取；

所述公式三为：

其中，t为再生制动时间，按公式四获取；ΔE为再生制动时间t时域内的动能变化量，ΔE按公式五获取；F₀为列车制动过程中的基本阻力；F_a为列车制动过程中的附加阻力，包括坡道附加阻力、曲线附加阻尼和隧道附加阻力；η_I为主逆变器效率，η_M为电机制动效率，η_G为齿轮箱传动效率，η_I、η_M和η_G均为常数；P_A为辅助系统功率，P_A为常数；v为列车速度；

所述公式四为：

其中，v₁为列车制动开始速度；v₂为列车制动结束速度；a为列车制动加速度；

所述公式五为：

其中，M为列车的等效质量，按公式六获取；

所述公式六为：

M＝M₁(1+γ)+M₂

其中，M₁为列车的自重，M₂为列车的负载，γ为列车的回转质量系数；

所述方法二包括：

能量分配系统按公式七获取地面逆变器反馈能量E_inv，按公式八获取车载电容器反馈能量E_SC；

所述公式七为：

其中，τ为低通滤波器的滤波时间常数，为一设定值；s为微分算子；

所述公式八为：

E_SC＝E^rbf-E_inv

所述方法三包括：

所述车载超级电容器由多个超级电容器组并联而成，单个超级电容器组由多个电容单体串联而成；电容器控制系统按公式九获取当前应当投入的超级电容器总容量C_sc，然后按公式十获取单个超级电容器组的电容单体串联数n，然后按公式十一获取当前应投入并联的超级电容器组的个数m；电容器控制系统控制m个并联的超级电容器组对车载电容器反馈能量E_SC进行吸收；

所述公式九为：

其中，η_D为双向直流DC/DC变换器的效率；U_cmax为车载超级电容器的最高工作电压；U_cmin为车载超级电容器的最低工作电压；

所述公式十为：

其中，U_c-cell为电容单体电压；

所述公式十一为：

其中，C_c-cell为电容单体容量；m的值向上取整。

2.如权利要求1所述的城轨列车再生制动能量吸收利用系统的控制方法，其特征在于：所述步骤（五）中，电容器控制系统采用动态循环的方式选择m个并联的超级电容器组对车载电容器反馈能量E_SC进行吸收。

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