CN109968991B - 用于轨道交通的直流牵引供电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于轨道交通的直流牵引供电系统及其控制方法，其中，供电系统包括整流源和储能组件，控电系统的控制方法包括：获取列车的当前运行工况；如果列车当前处于牵引状态，则获取直流牵引网的基准电压和直流牵引网的电压，并根据基准电压和直流牵引网的电压控制储能组件向直流牵引网释放能量；如果列车当前处于制动状态，则获取直流牵引网的基准电压和直流牵引网的电压，并根据基准电压和直流牵引网的电压控制储能组件通过直流牵引网吸收列车制动时的回馈能量以抑制直流牵引网的电压上升。该控制方法不需要依赖列车与供电系统的通讯，通过储能组件和整流源即可防止直流牵引网的电压波动，提高供电质量，供电可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通供电技术领域，尤其涉及一种用于轨道交通的直流牵引供电系统和一种用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法。
背景技术
伴随着不可再生能源的日益枯竭，以及污染问题日益严重，城市轨道交通得到迅速发展。城市轨道交通相较于电气化铁路而言，由于站间距离短、运行速度慢，所需牵引功率较小、同时城市人口密集，从减小绝缘成本、减轻电磁干扰、提高安全性、直流电机调速控制简单等方面考虑，使用750V\1500V直流接触网供电成为首选方案。
其中，如何提高轻轨交通供电电源性能与可靠性就显得越发重要。在传统轨道供电方式中，在制动回馈阶段一般采用电阻进行能量消耗，造成了极大的能源浪费；或者增设交流回馈装置，在制动阶段将能量转化为交流回馈到交流电网，但由于交流电网的不稳定性，在回馈过程中会显著影响直流电网稳定性。
为此，相关技术中，公开了一种集合不控整流、电网回馈和储能功能的混合型牵引供电装置。但该回馈储能混合型供电装置，由于是回馈支路和储能支路共同作用才能保障接触网电压稳定，回馈变流器或储能支路任一故障时供电系统即无法满足供电需求；同时此拓扑系统结构复杂、控制策略与算法描述不清晰，导致直流电网电压波动较大，供电质量降低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法，以通过储能组件和整流源防止直流牵引网的电压波动，提高供电质量。
本发明第二方面实施例提出了一种用于轨道交通的直流牵引供电系统。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法，所述用于轨道交通的直流牵引供电系统包括整流源和储能组件，其中，所述整流源用于通过所述直流牵引网向列车提供牵引能量和提供所述直流牵引网的基准电压，所述储能组件用于通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量，以及在所述列车牵引时向所述直流牵引网释放能量，所述控制方法包括以下步骤：获取列车的当前运行工况；如果所述列车当前处于牵引状态，则获取直流牵引网的基准电压和直流牵引网的电压，并根据基准电压和直流牵引网的电压控制所述储能组件向所述直流牵引网释放能量以抑制所述直流牵引网的电压下降；如果所述列车当前处于制动状态，则获取直流牵引网的基准电压和直流牵引网的电压，并根据基准电压和直流牵引网的电压控制所述储能组件通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量以抑制所述直流牵引网的电压上升。
根据本发明实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法，在对用于轨道交通的直流牵引供电系统进行控制时，能够通过储能组件和整流源防止直流牵引网的电压波动，提高供电质量，且不需要依赖列车与供电系统的通讯，提高了供电可靠性。
另外，根据本发明上述实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述根据所述基准电压和所述直流牵引网的电压控制所述储能组件通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量，包括：当所述直流牵引网的电压大于第一电压阈值时，通过如下公式计算所述储能组件的目标充电功率，并控制所述储能组件的充电功率以第一速率增加，直至所述储能组件的充电功率达到该目标充电功率：
Pdcobj＝-Pstd，
其中，Pdcobj为所述储能组件的目标充电功率，-Pstd为充电额定功率；
控制所述储能组件以所述充电额定功率充电第一预设时间；当所述直流牵引网的电压小于第二电压阈值时，控制所述储能组件的充电功率以第二速率递减，其中，所述第二速率小于所述第一速率；当所述储能组件的充电功率减小至0时，控制所述储能组件退出充电状态。
根据本发明的一个实施例，在控制所述储能组件的充电功率以第二速率递减过程中，如果存在所述直流牵引网的电压大于所述第二电压阈值且小于所述第一电压阈值，则控制所述储能组件以当前的充电功率为目标充电功率进行充电。
根据本发明的一个实施例，所述根据所述直流牵引网的电压控制所述储能组件通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量，还包括：当所述直流牵引网的电压大于第一电压阈值时，通过如下公式计算所述储能组件的目标充电功率，并根据该目标充电功率控制所述储能组件充电：
Pdcobj＝-k(Udc-Uhigh1)，且Pdcobj≤-Pstd，
其中，Pdcobj为所述储能组件的目标充电功率，k为常数，Udc为直流牵引网的电压，Uhigh1为所述第一电压阈值，-Pstd为充电额定功率；
当所述直流牵引网的电压大于或者等于第三电压阈值时，通过如下公式计算所述储能组件的目标充电功率，并控制所述储能组件的充电功率以第一速率增加，直至所述储能组件的充电功率达到该目标充电功率：
Pdcobj＝-Pstd，
其中，Pdcobj为所述储能组件的目标充电功率，-Pstd为充电额定功率；
控制所述储能组件以所述充电额定功率充电第二预设时间；当所述直流牵引网的电压小于第二电压阈值，且所述直流牵引网的电压的变化率小于0时，控制所述储能组件的充电功率以第三速率递减；当所述储能组件的充电功率减小至0时，控制所述储能组件退出充电状态。
根据本发明的一个实施例，在控制所述储能组件的充电功率以第三速率递减过程中，如果存在所述直流牵引网的电压大于第四电压阈值且小于所述第一电压阈值，则控制所述储能组件以当前的充电功率为目标充电功率进行充电，其中，所述第四电压阈值大于所述第二电压阈值。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种用于轨道交通的直流牵引供电系统，包括：整流源，所述整流源的交流端连接到交流电网，所述整流源的直流端连接到直流牵引网，所述整流源用于对所述交流电网提供的交流电进行整流，以通过所述直流牵引网向列车提供牵引能量和提供所述直流牵引网的基准电压；储能组件，所述储能组件连接到所述直流牵引网，所述储能组件用于通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量以抑制所述直流牵引网的电压上升，以及在所述列车牵引时向所述直流牵引网释放能量以支撑所述直流牵引网向所述列车提供的牵引电压；其中，所述储能组件中设置有控制单元，所述控制单元用于执行上述的控制方法以对所述储能组件进行充放电控制。
本发明实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统，能够通过储能组件和整流源防止直流牵引网的电压波动，提高供电质量，且不需要依赖列车与供电系统的通讯，提高了供电可靠性。
另外，根据本发明上述实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述储能组件包括M个储能模块和N个DC/DC变换模块，所述M个储能模块和N个DC/DC变换模块以串并联的方式连接，其中，M和N均为大于1的正整数。
根据本发明的一个实施例，所述储能模块为四个，所述DC/DC变换模块为四个，其中，每个所述储能模块与对应的DC/DC变换模块串联连接，第一DC/DC变换模块的第一直流端与第二DC/DC变换模块的第一直流端相连后再连接到所述直流牵引网的正极端，所述第一DC/DC变换模块的第二直流端与所述第二DC/DC变换模块的第二直流端相连后再分别连接到第三DC/DC变换模块的第一直流端和第四DC/DC变换模块的第一直流端，所述第三DC/DC变换模块的第二直流端与所述第四DC/DC变换模块的第二直流端相连后再连接到所述直流牵引网的负极端。
根据本发明的一个实施例，所述储能模块为两个，所述DC/DC变换模块为四个，其中，第一DC/DC变换模块的第一直流端与第二DC/DC变换模块的第一直流端相连后再连接到所述直流牵引网的正极端，所述第一DC/DC变换模块的第二直流端与所述第二DC/DC变换模块的第二直流端相连后再分别连接到第三DC/DC变换模块的第一直流端和第四DC/DC变换模块的第一直流端，所述第三DC/DC变换模块的第二直流端与所述第四DC/DC变换模块的第二直流端相连后再连接到所述直流牵引网的负极端，所述第一DC/DC变换模块的第三直流端与第二DC/DC变换模块的第三直流端相连后再连接到第一储能模块的第一端，所述第一DC/DC变换模块的第四直流端与第二DC/DC变换模块的第四直流端相连后再连接到第一储能模块的第二端，所述第三DC/DC变换模块的第三直流端与第四DC/DC变换模块的第三直流端相连后再连接到第二储能模块的第一端，所述第三DC/DC变换模块的第四直流端与第四DC/DC变换模块的第四直流端相连后再连接到第二储能模块的第二端。
根据本发明的一个实施例，四个所述DC/DC变换模块中的一个以恒压模式进行工作，四个所述DC/DC变换模块中的剩余DC/DC变换模块以恒流模式进行工作。
根据本发明的一个实施例，所述储能模块为锂电池、钒电池、铅酸电池中的一种。
进一步地，本发明提出了一种用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法，包括以下步骤：获取列车的当前运行工况；如果所述列车当前处于牵引状态，则根据所述列车的所需牵引功率控制所述整流源通过所述直流牵引网向列车提供牵引能量，或者，控制所述整流源通过所述直流牵引网向列车提供牵引能量，且控制所述储能组件向所述直流牵引网释放能量以支撑所述直流牵引网向所述列车提供的牵引电压；如果所述列车当前处于制动状态，则实时获取所述直流牵引网的电压，并根据所述直流牵引网的电压控制所述储能组件通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量以抑制所述直流牵引网的电压上升。
附图说明
图1是根据本发明实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的结构框图；
图2是根据本发明一个示例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的结构框图；
图3是根据本发明另一个示例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的结构框图；
图4是根据本发明实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法的流程图；
图5是根据本发明一个示例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法的流程图；
图6是根据本发明另一个示例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统及其控制方法。
图1是本发明实施例提出的一种用于轨道交通的直流牵引供电系统的结构框图。如图1所示，该供电系统100包括：整流源10和储能组件20。
其中，整流源10的交流端连接到交流电网，整流源10的直流端连接到直流牵引网，整流源10用于对交流电网提供的交流电进行整流，以通过直流牵引网向列车提供牵引能量和提供直流牵引网的基准电压。
储能组件20连接到直流牵引网，储能组件20用于通过直流牵引网吸收列车制动时的回馈能量以抑制直流牵引网的电压上升，以及在列车牵引时向直流牵引网释放能量以支撑直流牵引网向列车提供的牵引电压；
在该实施例中，整流源10可为不控整流电源，其输出电压仅由直流牵引网的电压决定。
在本发明的一个实施例中，储能组件20包括M个储能模块21和N个DC/DC变换模块22，M个储能模块21和N个DC/DC变换模块22以串并联的方式连接，其中，M和N均为大于1的正整数。
其中，N个DC/DC变换模块22中的一个以恒压模式进行工作，N个DC/DC变换模块22中的剩余DC/DC变换模块以恒流模式进行工作。
可选地，M个储能模块21均可为锂电池、钒电池、铅酸电池等可重复充电电池中的一种。
具体地，如图2、图3所示，储能模块输出端与DC/DC变换模块的输入端相连，DC/DC变换模块的输出端与直流牵引网相连，以通过直流牵引网吸收列车制动时的回馈能量，由此能够抑制直流牵引网的电压上升，并在列车牵引时向直流牵引网释放能量以支撑直流牵引网向列车提供的牵引电压。
在一个示例中，如图2所示，储能模块21为四个，即M＝4，DC/DC变换模块22为四个，即N＝4，其中，每个储能模21与对应的DC/DC变换模块22串联连接，第一DC/DC变换模块221的第一直流端a1与第二DC/DC变换模块222的第一直流端a1相连后再连接到直流牵引网的正极端，第一DC/DC变换模块221的第二直流端a2与第二DC/DC变换模块222的第二直流端a2相连后再分别连接到第三DC/DC变换模块223的第一直流端a1和第四DC/DC变换模块224的第一直流端a1，第三DC/DC变换模块的第二直流端a2与第四DC/DC变换模块的第二直流端a2相连后再连接到直流牵引网的负极端。其中，第一DC/DC变换模块221以恒压模式进行工作，第二DC/DC变换模块222、第三DC/DC变换模块223、第四DC/DC变换模块224以恒流模式进行工作。
在该示例中，第一DC/DC变换模块221的高压端与储能模块211相连、第二DC/DC变换模块222的高压端与储能模块212相连、第三DC/DC变换模块223的高压端与储能模块213相连、第四DC/DC变换模块224的高压端与储能模块214相连。第一DC/DC变换模块221、第二DC/DC变换模块222的低压端并联后，正极与直流牵引网正极相连；第三DC/DC变换模块223、第四DC/DC变换模块224的低压端并联后，负极与直流牵引网负极相连，第一DC/DC变换模块221、第二DC/DC变换模块222的低压端负极与第三DC/DC变换模块223、第四DC/DC变换模块224的低压端正极相连。
在本发明的另一个示例中，如图3所示，储能模块为两个，即M＝2，DC/DC变换模块为四个，即N＝4，其中，第一DC/DC变换模块221的第一直流端a1与第二DC/DC变换模块222的第一直流端a1相连后再连接到直流牵引网的正极端，第一DC/DC变换模块221的第二直流端a2与第二DC/DC变换模块222的第二直流端a2相连后再分别连接到第三DC/DC变换模块223的第一直流端a1和第四DC/DC变换模块224的第一直流端a1，第三DC/DC变换模块的第二直流端a2与第四DC/DC变换模块的第二直流端a2相连后再连接到直流牵引网的负极端，第一DC/DC变换模块221的第三直流端a3与第二DC/DC变换模块222的第三直流端a3相连后再连接到第一储能模块211的第一端b1，第一DC/DC变换模块221的第四直流端a4与第二DC/DC变换模块222的第四直流端a4相连后再连接到第一储能模块211的第二端b2，第三DC/DC变换模块223的第三直流端a3与第四DC/DC变换模块224的第三直流端a3相连后再连接到第二储能模块222的第一端b1，第三DC/DC变换模块223的第四直流端a4与第四DC/DC变换模块224的第四直流端a4相连后再连接到第二储能模块222的第二端b2。其中，第一DC/DC变换模块221以恒压模式进行工作，第二DC/DC变换模块222、第三DC/DC变换模块223、第四DC/DC变换模块224以恒流模式进行工作。
在该示例中，第一DC/DC变换模块221、第二DC/DC变换模块222的高压端并联后与储能模块211相连，第三DC/DC变换模块223、第四DC/DC变换模块224的高压端并联后与储能模块212相连。第一DC/DC变换模块221、第二DC/DC变换模块222的低压端并联后，正极与直流牵引网正极相连；第三DC/DC变换模块223、第四DC/DC变换模块224的低压端并联后，负极与直流牵引网负极相连，第一DC/DC变换模块221、第二DC/DC变换模块222的低压端负极与第三DC/DC变换模块223、第四DC/DC变换模块224的低压端正极相连。
在本发明的实施例中，可根据列车的容量需求配置储能组件20中储能模块的数量，即M值。例如，如果列车的总制动功率为P，则考虑过载因素可配置M值，以使储能组件20的总功率大于或者等于2P。
本发明实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统，采用DC/DC串并联拓扑，降低了单个开关管承受电压，减小了开关管的损坏风险，且通过模块化结构，即使单模块异常，其他模块仍然能够正常运行，且其实现不需要依赖列车与供电系统的通讯，提高了供电可靠性。
进一步地，在本发明的一个实施例中，为了通过储能组件和整流源防止直流牵引网的电压波动，提高供电质量，储能组件20中还可设置控制单元，该控制单元用于执行如下控制方法：
图4是根据本发明实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法的流程图。如图4所示，该控制方法包括以下步骤：
S101，获取列车的当前运行工况。
S102，如果列车当前处于牵引状态，则获取直流牵引网的基准电压和直流牵引网的电压，并根据基准电压和直流牵引网的电压控制储能组件向直流牵引网释放能量以抑制所述直流牵引网的电压下降。
其中，整流源提供的直流牵引网的基准电压可以是列车未运行时，直流牵引网的电压。可选地，直流牵引网的电压可通过电压采样模块进行获取。
具体地，列车未运行时，储能组件中的控制单元获取采样得到的直流牵引网的电压即基准电压；在列车处于牵引状态时，控制单元实时获取采样得到的直流牵引网的电压。如果直流牵引网的电压小于一定值(如a1*基准电压，a1可以在0.7＜a1＜1范围内取值)，则控制储能组件以一定的功率(可根据需要进行设定)进行放电，即向直流牵引网释放能量以支撑直流牵引网向列车提供的牵引电压。当直流牵引网的电压大于一定值(如a2*基准电压，a2可以在1＜a2＜1.3范围内取值)，则控制储能组件停止放电。
S103，如果列车当前处于制动状态，则获取直流牵引网的基准电压和直流牵引网的电压，并根据基准电压和直流牵引网的电压控制储能组件通过直流牵引网吸收列车制动时的回馈能量以抑制直流牵引网的电压上升。
其中，储能组件中的控制单元可用于对DC/DC变换模块进行控制。
具体地，列车未运行时，储能组件中的控制单元获取采样得到的直流牵引网的电压即基准电压；在列车处于牵引状态时，控制单元实时获取采样得到的直流牵引网的电压。
在一个示例中，参照图5，列车制动后，当直流牵引网的电压大于第一电压阈值，即Udc＞Uhigh1时，通过如下公式(1)计算储能组件的目标充电功率，并控制储能组件的充电功率以第一速率Pr_DC增加，直至储能组件的充电功率达到该目标充电功率：
Pdcobj＝-Pstd (1)
其中，Pdcobj为储能组件的目标充电功率，-Pstd为充电额定功率。
进一步地，控制储能组件以充电额定功率充电第一预设时间t1。其中，t1可根据列车的实际制动运行工况下最长恒功率制动时间进行设定。
可以理解，在储能组件的充电功率逐渐增加至制动功率时，直流牵引网的电压达到最大，随着储能组件的充电功率的持续增加，直流牵引网的电压逐渐降低。
进一步地，当直流牵引网的电压小于第二电压阈值时，控制储能组件的充电功率以第二速率Pr1递减，其中，第二速率小于第一速率。
可以理解，在储能组件的充电功率逐渐递减至制动功率时，直流牵引网的电压达到最小，随着储能组件的充电功率的持续递减，直流牵引网的电压逐渐增大。
其中，在控制储能组件的充电功率以第二速率递减过程中，如果存在直流牵引网的电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值，即Ulow1＜Udc＜Uhigh1，则控制储能组件以当前的充电功率为目标充电功率进行充电。当直流牵引网的电压再次小于第二电压阈值时，控制储能组件的充电功率再以第二速率递减，重复该过程。
更进一步地，当储能组件的充电功率减小至0时，控制储能组件退出充电状态。
在另一个示例中，参照图6，当直流牵引网的电压大于第一电压阈值，即Udc＞Uhigh1时，通过如下公式(2)计算储能组件的目标充电功率，并根据该目标充电功率控制储能组件充电：
Pdcobj＝-k(Udc-Uhigh1)，且Pdcobj≤-Pstd (2)
其中，Pdcobj为储能组件的目标充电功率，k为常数且为正值，Udc为直流牵引网的电压，Uhigh1为第一电压阈值，-Pstd为充电额定功率。k可以根据实际运行状态(如当前车速)进行设定，车速越大可以设置k值越大。
需要说明的是，在计算得到Pdcobj后，控制储能组件的充电功率逐渐增大直至Pdcobj。由于列车的制动功率未知，如果储能组件的充电功率小于制动功率，则直流牵引网的电压会继续增大。
进一步地，当直流牵引网的电压大于或者等于第三电压阈值，即Udc≥Uhigh2时，通过如下公式(3)计算储能组件的目标充电功率：
Pdcobj＝-Pstd (3)
其中，Pdcobj为储能组件的目标充电功率，-Pstd为充电额定功率；
并且，控制储能组件以充电额定功率充电第二预设时间t2。其中，t2不固定，其可根据直流牵引网的电压变化情况进行确定，如电压变化幅度较大，则t2的取值越小。若直流牵引网的电压Udc高于第二电压阈值Ulow1，说明列车制动功率处于维持阶段，则Pdcobj维持不变。
进一步地，当直流牵引网的电压小于第二电压阈值即Udc＜Ulow1，且直流牵引网的电压的变化率小于0，即Udc–Udcbak＜0(Udcbak为前一时段直流电压)时，控制储能组件的充电功率以第三速率Pr2递减。可选地，第三速率小于第一速率。
其中，在控制储能组件的充电功率以第三速率Pr2递减过程中，如果存在直流牵引网的电压大于第四电压阈值且小于第一电压阈值，则控制储能组件以当前的充电功率为目标充电功率进行充电。其中，第四电压阈值大于第二电压阈值。
更进一步地，当储能组件的充电功率减小至0时，控制储能组件退出充电状态。
具体而言，在对上述供电系统进行控制时，由整流源提供直流牵引网的基准电压，整流源通过二极管整流将交流电变为直流电，列车不运行的初始条件下直流牵引网的基准电压Udc_std＝1.414*Uac。
由于交流电网的不稳定性，经过整流源整流得到的直流电压也是波动的，因此需要通过实时检测交流电网电压Uac，以计算出当前直流牵引网的基准电压。初始状况下Udc＝Udc_std，当列车牵引时能量流出直流牵引网，直流牵引网的电压Udc降低，当列车制动时能量流入直流牵引网，直流牵引网的电压Udc上升。
第一DC/DC变换模块工作在恒压模式，以恒定低压端电压，且跟随直流牵引网的电压被动输出电流，恒压目标为直流牵引网电压一半，即Udcobj＝0.5*Udc。
第二DC/DC变换模块、第三DC/DC变换模块、第四DC/DC变换模块工作在恒流模式，以恒定低压端电流，并根据充放电目标值主动输出或者吸收能量。由于第一DC/DC变换模块\第二DC/DC变换模块和第三DC/DC变换模块\第四DC/DC变换模块是串联关系，两组DC/DC变换模块输出电流相同，即可得到式1：Idc1+Idc2＝Idc3+Idc4。将3台恒流工作DC/DC变换模块的输出电流目标值Idcobj设为相同，调节后可得到式2：Idc2＝Idc3＝Idc4，则恒压工作的DC/DC变换模块被动输出电流Idc1与其他3台DC/DC变换模块相等。由此，即可实现了4个DC/DC变换模块的输出电流相等，使各DC/DC变换模块的发热情况相当，预期寿命基本一致。
供电系统作为一个整体对外体现为电流源特性，根据充放电目标值主动输出或者吸收能量。因此上述两种拓扑结构(图2、图3所示的拓扑结构)下，如何在列车运行各阶段准确快速地计算出供电系统需要吸收或者释放的能量，即DC/DC恒流目标值Idcobj成为了储能组件吸收制动能量、补充牵引能量以稳定直流牵引网电压的关键。又Idcobj＝Pobj/UDC/DC(UDC/DC为DC/DC变换模块的直流电压，约等于0.5*Udc)，由此，在列车运行各阶段准确快速地计算出储能组件需要吸收或者释放的能量问题，转化为如何获取目标功率Pobj。
用于轨道交通的直流牵引供电系统在列车制动工况的各阶段中，目标功率Pobj的获取方法如下：
具体地，列车制动工况分为三个阶段：
1)切换到制动阶段：列车由牵引切换为开始制动，列车从直流牵引网吸收能量变为向直流牵引网释放能量，制动功率逐渐大，目标功率Pobj快速由负变正；
2)恒功率制动段：列车速度较快时恒定功率减速制动；
3)恒扭矩制动段：列车速度降低到一定程度后恒定扭矩减速制动，此时制动功率逐渐减小直至列车完全停止。
由于不能直接获取流入直流牵引网的制动功率，可以通过直流牵引网的电压来判断列车运行工况，即制动工况的阶段。以下描述中取流入直流牵引网的功率方向为-(即储能组件充电)，流出直流牵引网的功率方向为+(即储能组件释放能量)。
能量由列车流向直流牵引网时，由于整流源的能量单向流动，不能吸收流入直流牵引网的能量，因此直流牵引网的电压Udc持续抬升。制动时，直流牵引网的电压Udc上升速度与流入直流牵引网的能量正相关，即制动功率变化率越大Udc上升速度越快。可以理解的是，列车直流侧电压首先开始升高，同时由于线路阻抗产生压降，供电系统侧直流电压Udc上升幅度略小于列车直流电压。
在本发明的实施例中，当检测到Udc上升大于开始充电阈值Uhigh1(即第一电压阈值)后，充电功率大于或者等于制动功率，即能量由流入直流牵引网变为流出直流牵引网，也就将制动状态转化为类似牵引状态，Udc才能由抬升转为下降。Udc降低的幅度与整流原的输出功率Pz成反比，即Pz越大则Udc越低。
需要说明的是，假设列车制动时最大制动功率变化率Pr_train为Pmax\s，则必须使DC/DC变换模块吸收功率速率Pr_DC>＝Pr_train，以确保列车在任意工况制动时DC/DC变换模块充电功率均大于或者等于制动功率，多余功率(Pr_DC-Pr_train)由整流源提供。
由此，根据列车的制动工况，参照图5，可采用如下控制策略对储能组件进行充电控制：
充电上升阶段：当检测到直流牵引网的电压上升超过开始充电阈值，即Udc＞Uhigh1后，控制储能组件进入充电状态。设定目标充电功率为额定功率即Pdcobj＝-Pstd，储能组件的充电功率Pdc以第一速率Pr_DC增大，直至Pdc＝Pdcobj。
充电维持阶段：储能组件以额定功率Pstd充电维持一段时间t1，t1可以列车实际制动运行工况下最长恒功率制动时间为依据进行设定。
充电减小阶段：再判断直流牵引网的电压Udc，若Udc低于允许充电功率减小限值电压Ulow1，说明此时储能组件的充电功率大于列车制动功率，能量从直流牵引网流向供电系统，则目标充电功率Pdcobj以速率Pr1开始向0缓慢递减。其中，功率递减过程中若直流电压满足Ulow1＜Udc＜Uhigh1，则表明当前储能组件的充电功率Pdc与当前列车制动功率Pcar相当，维持当前目标功率不变。
充电退出阶段：当Udc＜Uhigh1后，目标充电功率Pdcobj继续以速率Pr1开始向0缓慢递减，直至充电功率减为0，退出充电状态。
上述控制策略能够有效的抑制制动时刻直流牵引网的电压上升，整个制动阶段直流电压稳定度较好、储能模块的充电电量较多。而若考虑储能模块的充放电平衡、容量成本等因素，在满足将制动阶段牵引网电压抑制在合理范围前提下，还需尽量减少制动阶段储能模块充电能量，此时，参照图6，可采用如下控制策略对储能组件进行充电控制：
充电上升阶段：当检测到直流牵引网的电压上升超过开始充电阈值，即Udc＞Uhigh1后，控制储能组件进入充电状态。根据直流牵引网的电压Udc上升幅度确定充电功率大小，设定目标充电功率与直流牵引网的电压成比例关系，即Pdcobj＝-k(Udc-Uhigh1)。由于列车制动前速度可能不同，因此每次制动时最大功率不同，因此满足Pdcobj≤-Pstd。设置满功率充电直流电压限值Uhigh2，当Udc≥Uhigh2，设置Pdcobj＝-Pstd。
充电维持阶段：列车开始恒功率制动后，直流牵引网的电压不再继续上升，储能组件的充电功率维持当前值一段时间t2；t2时间不固定，如可根据电压Udc的变化情况确定，若电压Udc高于允许充电功率减小限值电压Ulow1，说明列车制动功率处于维持阶段，则Pdcobj维持不变。
充电减小阶段：再判断直流牵引网的电压Udc，若Udc低于允许充电功率减小限值电压Ulow1且Udc的变化率(Udc–Udcbak，Udcbak为前一时段直流电压)UdcK＜0，即Udc呈现下降趋势，说明此时储能组件的充电功率大于列车制动功率，列车开始进入充电功率递减阶段，则此时应该减少供电系统的能量吸收，以使直流牵引网流入流出能量均衡，将目标充电功率Pdcobj以速率Pr2从当前值开始向0递减；否则继续维持当前功率目标不变。
充电退出阶段：当Udc≤Ulow2后，目标充电功率Pdcobj继续以速率Pr2开始向0递减，直至充电功率减为0，退出充电状态。
需要说明的是，在功率递减过程中，若电压Udc满足Ulow2＜Udc＜Uhigh1且Udc变化率UdcK＞0，表明当前储能组件的充电功率Pdc与当前列车制动功率Pcar相当，则维持当前目标功率不变。
根据本发明实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法，在对上述实施例的用于轨道交通的直流牵引供电系统进行控制时，不需要依赖列车与供电系统的通讯，提高了供电系统供电的可靠性，且能够充分利用列车回馈制动能量，以及有效控制直流牵引网的电压波动、提高供电质量，即在列车制动时，抑制直流牵引网的电压上升，以及在向列车供电时，抑制直流牵引网的电压下降。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法，其特征在于，所述用于轨道交通的直流牵引供电系统包括整流源和储能组件，其中，所述整流源用于通过所述直流牵引网向列车提供牵引能量和提供所述直流牵引网的基准电压，所述储能组件用于通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量，以及在所述列车牵引时向所述直流牵引网释放能量，所述控制方法包括以下步骤：
获取列车的当前运行工况；
如果所述列车当前处于牵引状态，则获取直流牵引网的基准电压和直流牵引网的电压，并根据基准电压和直流牵引网的电压控制所述储能组件向所述直流牵引网释放能量以抑制所述直流牵引网的电压下降，其中，所述基准电压为所述列车未运行时，直流牵引网的电压；
如果所述列车当前处于制动状态，则获取直流牵引网的基准电压和直流牵引网的电压，并根据基准电压和直流牵引网的电压控制所述储能组件通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量以抑制所述直流牵引网的电压上升；
所述根据所述基准电压和所述直流牵引网的电压控制所述储能组件通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量，包括：
当所述直流牵引网的电压大于第一电压阈值时，通过如下公式计算所述储能组件的目标充电功率，并控制所述储能组件的充电功率以第一速率增加，直至所述储能组件的充电功率达到该目标充电功率：
Pdcobj＝-Pstd，
其中，Pdcobj为所述储能组件的目标充电功率，-Pstd为充电额定功率；
控制所述储能组件以所述充电额定功率充电第一预设时间；
当所述直流牵引网的电压小于第二电压阈值时，控制所述储能组件的充电功率以第二速率递减，其中，所述第二速率小于所述第一速率；
当所述储能组件的充电功率减小至0时，控制所述储能组件退出充电状态；
或者，
所述根据所述直流牵引网的电压控制所述储能组件通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量，包括：
当所述直流牵引网的电压大于第一电压阈值时，通过如下公式计算所述储能组件的目标充电功率，并根据该目标充电功率控制所述储能组件充电：
Pdcobj＝-k(Udc-Uhigh1)，且Pdcobj≤-Pstd，
其中，Pdcobj为所述储能组件的目标充电功率，k为常数，Udc为直流牵引网的电压，Uhigh1为所述第一电压阈值，-Pstd为充电额定功率；
当所述直流牵引网的电压大于或者等于第三电压阈值时，通过如下公式计算所述储能组件的目标充电功率，并控制所述储能组件的充电功率以第一速率增加，直至所述储能组件的充电功率达到该目标充电功率：
Pdcobj＝-Pstd，
其中，Pdcobj为所述储能组件的目标充电功率，-Pstd为充电额定功率；
控制所述储能组件以所述充电额定功率充电第二预设时间；
当所述直流牵引网的电压小于第二电压阈值，且所述直流牵引网的电压的变化率小于0时，控制所述储能组件的充电功率以第三速率递减；
当所述储能组件的充电功率减小至0时，控制所述储能组件退出充电状态。
2.如权利要求1所述的用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法，其特征在于，在控制所述储能组件的充电功率以第二速率递减过程中，如果存在所述直流牵引网的电压大于所述第二电压阈值且小于所述第一电压阈值，则控制所述储能组件以当前的充电功率为目标充电功率进行充电。
3.如权利要求1所述的用于轨道交通的直流牵引供电系统的控制方法，其特征在于，在控制所述储能组件的充电功率以第三速率递减过程中，如果存在所述直流牵引网的电压大于第四电压阈值且小于所述第一电压阈值，则控制所述储能组件以当前的充电功率为目标充电功率进行充电，其中，所述第四电压阈值大于所述第二电压阈值。
4.一种用于轨道交通的直流牵引供电系统，其特征在于，包括：
整流源，所述整流源的交流端连接到交流电网，所述整流源的直流端连接到直流牵引网，所述整流源用于对所述交流电网提供的交流电进行整流，以通过所述直流牵引网向列车提供牵引能量和提供所述直流牵引网的基准电压；
储能组件，所述储能组件连接到所述直流牵引网，所述储能组件用于通过所述直流牵引网吸收所述列车制动时的回馈能量以抑制所述直流牵引网的电压上升，以及在所述列车牵引时向所述直流牵引网释放能量以支撑所述直流牵引网向所述列车提供的牵引电压；
其中，所述储能组件中设置有控制单元，所述控制单元用于执行如权利要求1-3中任一项所述的控制方法以对所述储能组件进行充放电控制。
5.如权利要求4所述的用于轨道交通的直流牵引供电系统，其特征在于，所述储能组件包括M个储能模块和N个DC/DC变换模块，所述M个储能模块和N个DC/DC变换模块以串并联的方式连接，其中，M和N均为大于1的正整数。
6.如权利要求5所述的用于轨道交通的直流牵引供电系统，其特征在于，所述储能模块为四个，所述DC/DC变换模块为四个，其中，每个所述储能模块与对应的DC/DC变换模块串联连接，第一DC/DC变换模块的第一直流端与第二DC/DC变换模块的第一直流端相连后再连接到所述直流牵引网的正极端，所述第一DC/DC变换模块的第二直流端与所述第二DC/DC变换模块的第二直流端相连后再分别连接到第三DC/DC变换模块的第一直流端和第四DC/DC变换模块的第一直流端，所述第三DC/DC变换模块的第二直流端与所述第四DC/DC变换模块的第二直流端相连后再连接到所述直流牵引网的负极端。
7.如权利要求5所述的用于轨道交通的直流牵引供电系统，其特征在于，所述储能模块为两个，所述DC/DC变换模块为四个，其中，第一DC/DC变换模块的第一直流端与第二DC/DC变换模块的第一直流端相连后再连接到所述直流牵引网的正极端，所述第一DC/DC变换模块的第二直流端与所述第二DC/DC变换模块的第二直流端相连后再分别连接到第三DC/DC变换模块的第一直流端和第四DC/DC变换模块的第一直流端，所述第三DC/DC变换模块的第二直流端与所述第四DC/DC变换模块的第二直流端相连后再连接到所述直流牵引网的负极端，所述第一DC/DC变换模块的第三直流端与第二DC/DC变换模块的第三直流端相连后再连接到第一储能模块的第一端，所述第一DC/DC变换模块的第四直流端与第二DC/DC变换模块的第四直流端相连后再连接到第一储能模块的第二端，所述第三DC/DC变换模块的第三直流端与第四DC/DC变换模块的第三直流端相连后再连接到第二储能模块的第一端，所述第三DC/DC变换模块的第四直流端与第四DC/DC变换模块的第四直流端相连后再连接到第二储能模块的第二端。
8.如权利要求6或7所述的用于轨道交通的直流牵引供电系统，其特征在于，四个所述DC/DC变换模块中的一个以恒压模式进行工作，四个所述DC/DC变换模块中的剩余DC/DC变换模块以恒流模式进行工作。
9.如权利要求6或7所述的用于轨道交通的直流牵引供电系统，其特征在于，所述储能模块为锂电池、钒电池、铅酸电池中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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