CN110588358B - 基于功率-时间曲线的城轨列车车载储能系统控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于功率‑时间曲线的城轨列车车载储能系统控制方法，所述城轨列车车载储能系统包括牵引电机、四象限逆变器、两台双向DC‑DC变换器、控制模块、蓄电池、超级电容、电阻耗能装置和接触网；在控制方法中，采用了双截止频率来对蓄电池和超级电容的充电动作进行控制；本发明的有益技术效果是：提出了一种基于功率‑时间曲线的城轨列车车载储能系统控制方法，该方案可充分发挥超级电容吸收效率高、吸收功率大的优点，减小对蓄电池的功率冲击，提高混合储能系统的性能，减少不必要的散热。
Description
技术领域
本发明涉及一种城轨列车制动能量回收技术，尤其涉及一种基于功率-时间曲线的城轨列车车载储能系统控制方法。
背景技术
为了对城轨列车的制动能量进行回收、利用，最常见的手段是在城轨列车上设置车载混合储能装置，车载混合储能装置通常采用“超级电容+蓄电池”的结构。城轨列车制动过程中，牵引电机工作于发电状态，将车辆的动能转换为电能。同时，采用一阶低通滤波器将列车再生制动的功率分解为高频分量和低频分量，从而生成对应的功率控制信号，根据功率控制信号对双向DC-DC变换器进行控制，使电能中与高频分量对应的部分由超级电容器吸收存储、电能中与低频分量对应的部分由蓄电池吸收存储。
存在的问题是：首先，列车在制动过程中，随着运行速度的降低，其制动功率是一个动态的、逐渐减小的过程。超级电容的优势是功率密度高，适于吸收大功率的电能，这在列车制动前期正好适用；而在列车制动后期，列车制动功率随着列车速度的降低而降低，则较适用于功率密度低的蓄电池。在现有技术中，无论是在列车制动的前期和后期，一阶低通滤波器截止频率通常为一个固定值，将造成列车制动功率在不同时段的功率配不合理，混合储能系统中的元件未能发挥其特点，以适应列车制动功率动态减小的变化。
与此同时，城轨列车制动时，有可能存在超级电容荷电量较多、蓄电池荷电量较少的情况。而这时，采用固定截止频率的一阶低通滤波器能量分配方式，超级电容由于闲置容量少，对应的制动能量只能被少量吸收，未被吸收的能量只能通过电阻耗能装置以热量的形式耗散掉；而蓄电池虽然闲置容量较多，但因它具有低功率密度的特点，要受到充电功率的限制，此时制动功率较大，有可能在吸收了一定的制动能量后仍未充满，这不仅使得车载混合储能装置利用率不高，而且电阻耗能装置不必要的散热也会影响车载混合储能装置的环境温度升高，给温控系统造成负担。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于功率-时间曲线的城轨列车车载储能系统控制方法，所述城轨列车车载储能系统包括牵引电机、四象限逆变器、两台双向DC-DC变换器、控制模块、蓄电池、超级电容、电阻耗能装置和接触网；
所述牵引电机的输入端与四象限逆变器的三相连接端连接；四象限逆变器的直流端与接触网连接，同时，四象限逆变器的直流端通过第一双向DC-DC变换器与蓄电池连接，同时，四象限逆变器的直流端通过第二双向DC-DC变换器与超级电容连接，同时，四象限逆变器的直流端与电阻耗能装置连接；双向DC-DC变换器的控制部与控制模块连接；所述蓄电池和超级电容内均设置有电量检测电路，电量检测电路与控制模块连接；所述控制模块与车载功率计连接；
其创新在于：城轨列车惰行阶段中，所述城轨列车车载储能系统控制方法按以下步骤进行处理：
城轨列车开始惰行后，1)控制模块通过电量检测电路对蓄电池和超级电容的当前储电量进行检测，然后根据当前储电量，分别计算出蓄电池的剩余可充电容量E1和超级电容的剩余可充电容量E2；
对E1进行识别：若E1＜0.15·EA，结束惰行阶段的操作；若E1≥0.15·EA，继续对E2进行识别：若E2＜0.7·EB，计算出蓄电池和超级电容的剩余可充电总容量Emax后，进入步骤2)；若E2≥0.7·EB，结束惰行阶段的操作；EA为蓄电池的总容量，EB为超级电容的总容量，Emax＝E1+E2；
2)根据列车自动驾驶曲线，计算出随后的制动阶段的功率-时间曲线，然后根据功率-时间曲线计算出预测制动时间tzd和预测制动功率Pzd；然后根据下式计算出预计总能量Ezd：
预计总能量Ezd为：制动阶段中，预计会充入蓄电池和超级电容的能量之和；进入步骤3)；
3)对Emax和Ezd进行比较：若Emax＞Ezd，进入步骤4)，若Emax≤Ezd，则结束惰行阶段的操作；
4)控制模块通过控制双向DC-DC变换器，使超级电容向蓄电池充电，充电过程中，满足如下任一条件，充电动作停止：条件一，超级电容的储电量小于或等于0.05·EB；条件二，蓄电池已充满；条件三，城轨列车惰行阶段结束；
城轨列车制动阶段中，所述城轨列车车载储能系统控制方法按以下步骤进行处理：
制动阶段中，控制模块从车载功率计上实时获取制动功率数据，同时，控制模块通过电量检测电路对蓄电池和超级电容的储电量进行实时检测；城轨列车开始制动后：
如蓄电池已充满、超级电容未充满，则控制模块通过控制双向DC-DC变换器，使超级电容与四象限逆变器导通、蓄电池与四象限逆变器断开，同时，控制模块以第一截止频率作为一阶低通滤波的截止频率，对制动功率数据连续作一阶低通滤波处理，此时，控制模块根据第一截止频率为第二双向DC-DC变换器生成相应的功率控制指令，对超级电容进行充电操作；充电过程中，满足如下任一条件，控制模块通过控制第二双向DC-DC变换器，使超级电容与四象限逆变器断开：条件1，制动阶段结束，条件2，超级电容已充满；
如蓄电池和超级电容均未充满，则控制模块通过控制双向DC-DC变换器，使超级电容与四象限逆变器导通、蓄电池与四象限逆变器断开，同时，控制模块以第一截止频率作为一阶低通滤波的截止频率，对制动功率数据连续作一阶低通滤波处理，此时，控制模块根据第一截止频率为第二双向DC-DC变换器生成相应的功率控制指令，对超级电容进行充电操作；超级电容充电过程中，若超级电容的储电量大于或等于0.8·EB，则控制模块将第一截止频率替换为第二截止频率，继续对制动功率数据连续作一阶低通滤波处理，同步地，控制模块通过第一双向DC-DC变换器，使蓄电池与四象限逆变器导通，此时，控制模块根据第二截止频率为两个双向DC-DC变换器生成相应的控制指令，对蓄电池和超级电容同时进行充电操作；蓄电池和超级电容同时充电的过程中，如蓄电池已充满或制动阶段结束，则控制模块通过控制第一双向DC-DC变换器，使蓄电池与四象限逆变器断开，如超级电容已充满或制动阶段结束，则控制模块通过控制第二双向DC-DC变换器，使超级电容与四象限逆变器断开；
如蓄电池和超级电容均已充满，则控制模块通过控制双向DC-DC变换器，使蓄电池和超级电容都与四象限逆变器断开；
所述第一截止频率的数值小于第二截止频率的数值。第一截止频率的数值很小，可以使第二双向DC-DC变换器将更多的能量充入超级电容中；
本发明的原理是：基于现有技术可知，城轨交通的站间距离较短，且限速条件相对简单，列车在两个站点之间的运行模式一般为“牵引-惰行-制动”。为解决背景技术中所述的问题，发明人从列车在惰行和制动阶段分别进行了如下考虑：在列车惰行阶段，预先对蓄电池和超级电容的荷电量进行调整，尽量将超级电容内的能量转移至蓄电池，从而使超级电容能够在列车制动初期尽量发挥吸收作用，吸收大功率，减小大功率对蓄电池的冲击，还可有效减少电阻耗能装置不必要的发热；在列车制动阶段，根据进行混合储能元件的特点，通过设置“双截止频率”进行功率分配，从而适应列车制动功率由高到低的动态变化。
具体来说：惰行阶段开始后，本发明先根据当前储电量计算出蓄电池和超级电容各自的剩余可充电容量，然后根据不同情况进行相应操作：如E1＜0.15·EA，说明蓄电池的剩余可充电容量较少，能够从超级电容中转移出的能量较少，再考虑到蓄电池的充放电寿命较短，从延长蓄电池使用寿命角度出发，这种情况下不作能量转移，结束惰行阶段的操作；若E1≥0.15·EA，说明蓄电池的容量有一定剩余，可以接纳相应的能量，继续对E2进行识别：若E2＜0.7·EB，说明超级电容中存储了一些能量，计算出蓄电池和超级电容的剩余可充电总容量Emax后，进入步骤2)；若E2≥0.7·EB，说明超级电容内存储的能量较少，为了降低蓄电池充电次数，这种情况下可结束惰行阶段的操作；通过步骤2)计算出预计总能量Ezd后，在步骤3)中，继续对Emax和Ezd进行比较：若Emax＞Ezd，说明预计总能量Ezd能够被储能系统完全吸收，这时，将超级电容内的能量转移到蓄电池中，在制动初期的过程中，就能充分利用超级电容充电功率大、效率高的特点，对制动能量进行有效吸收，减小对蓄电池的功率冲击，然后按步骤4)的方式将超级电容内的能量转移至蓄电池中；若Emax≤Ezd，说明预计总能量Ezd不能被储能系统完全吸收，超级电容中的能量转移至蓄电池意义不大，则结束惰行阶段的操作；
制动阶段开始时，蓄电池和超级电容可能存在三种情况，一是蓄电池已充满、超级电容未充满，二是蓄电池和超级电容均未充满，三是蓄电池和超级电容均已充满。对于第一种情况，显然，只需通过超级电容吸收能量即可；对于第二种情况，为了充分利用超级电容吸收效率高、吸收功率大的特点，在列车制动阶段的前期，通过设置数值很小的第一截止频率，可以使控制超级电容单独吸收能量。在列车制动阶段的后期，待超级电容的储电量大于或等于0.8·EB时，控制模块通过采用第二截止频率的方式将蓄电池接入，该第二截止频率数值大于第一截止频率，此时由超级电容和蓄电池同时吸收能量，适合蓄电池低功率密度的特点。由于列车在制动阶段后期功率降低，本发明的“双截止频率”的分配方式，能够让混合储能系统适应列车制动功率由高到低的变化特点，充分利用超级电容前期吸收功率大的优点，同时减小了对蓄电池的功率冲击；对于第三种情况，显然只能由电阻耗能装置将制动能量耗散掉。采用本发明方案后，可以发挥超级电容吸收功率大的优势，减小对蓄电池的功率冲击，同时充分利用混合储能系统，避免不必要的散热。
根据截止频率为双向DC-DC变换器生成控制指令以及通过双向DC-DC变换器实现超级电容和蓄电池的充、放电是一种现有技术，因此本发明介绍得较为简略。具体实施时，本领域技术人员应根据现有技术来理解相关操作。
本发明的有益技术效果是：提出了一种基于功率-时间曲线的城轨列车车载储能系统控制方法，该方案可充分发挥超级电容吸收效率高、吸收功率大的优点，减小对蓄电池的功率冲击，提高混合储能系统的性能，减少不必要的散热。
附图说明
图1、本发明的原理示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：牵引电机1、四象限逆变器2、双向DC-DC变换器3、控制模块4、蓄电池5、超级电容6、电阻耗能装置7、接触网8。
具体实施方式
一种基于功率-时间曲线的城轨列车车载储能系统控制方法，所述城轨列车车载储能系统包括牵引电机1、四象限逆变器2、两台双向DC-DC变换器3、控制模块4、蓄电池5、超级电容6、电阻耗能装置7和接触网8；
所述牵引电机1的输入端与四象限逆变器2的三相连接端连接；四象限逆变器2的直流端与接触网8连接，同时，四象限逆变器2的直流端通过第一双向DC-DC变换器3与蓄电池5连接，同时，四象限逆变器2的直流端通过第二双向DC-DC变换器3与超级电容6连接，同时，四象限逆变器2的直流端与电阻耗能装置7连接；双向DC-DC变换器3的控制部与控制模块4连接；所述蓄电池5和超级电容6内均设置有电量检测电路，电量检测电路与控制模块4连接；所述控制模块4与车载功率计连接；
其创新在于：城轨列车惰行阶段中，所述城轨列车车载储能系统控制方法按以下步骤进行处理：
城轨列车开始惰行后，1)控制模块4通过电量检测电路对蓄电池5和超级电容6的当前储电量进行检测，然后根据当前储电量，分别计算出蓄电池5的剩余可充电容量E1和超级电容6的剩余可充电容量E2；
对E1进行识别：若E1＜0.15·EA，结束惰行阶段的操作；若E1≥0.15·EA，继续对E2进行识别：若E2＜0.7·EB，计算出蓄电池5和超级电容6的剩余可充电总容量Emax后，进入步骤2)；若E2≥0.7·EB，结束惰行阶段的操作；EA为蓄电池5的总容量，EB为超级电容6的总容量，Emax＝E1+E2；
2)根据列车自动驾驶曲线，计算出随后的制动阶段的功率-时间曲线，然后根据功率-时间曲线计算出预测制动时间tzd和预测制动功率Pzd；然后根据下式计算出预计总能量Ezd：
预计总能量Ezd为：制动阶段中，预计会充入蓄电池5和超级电容6的能量之和；进入步骤3)；
3)对Emax和Ezd进行比较：若Emax＞Ezd，进入步骤4)，若Emax≤Ezd，则结束惰行阶段的操作；
4)控制模块4通过控制双向DC-DC变换器3，使超级电容6向蓄电池5充电，充电过程中，满足如下任一条件，充电动作停止：条件一，超级电容6的储电量小于或等于0.05·EB；条件二，蓄电池5已充满；条件三，城轨列车惰行阶段结束；
城轨列车制动阶段中，所述城轨列车车载储能系统控制方法按以下步骤进行处理：
制动阶段中，控制模块4从车载功率计上实时获取制动功率数据，同时，控制模块4通过电量检测电路对蓄电池5和超级电容6的储电量进行实时检测；城轨列车开始制动后：
如蓄电池5已充满、超级电容6未充满，则控制模块4通过控制双向DC-DC变换器3，使超级电容6与四象限逆变器2导通、蓄电池5与四象限逆变器2断开，同时，控制模块4以第一截止频率作为一阶低通滤波的截止频率，对制动功率数据连续作一阶低通滤波处理，此时，控制模块4根据第一截止频率为第二双向DC-DC变换器3生成相应的功率控制指令，对超级电容6进行充电操作；充电过程中，满足如下任一条件，控制模块4通过控制第二双向DC-DC变换器3，使超级电容6与四象限逆变器2断开：条件1，制动阶段结束，条件2，超级电容6已充满；
如蓄电池5和超级电容6均未充满，则控制模块4通过控制双向DC-DC变换器3，使超级电容6与四象限逆变器2导通、蓄电池5与四象限逆变器2断开，同时，控制模块4以第一截止频率作为一阶低通滤波的截止频率，对制动功率数据连续作一阶低通滤波处理，此时，控制模块4根据第一截止频率为第二双向DC-DC变换器3生成相应的功率控制指令，对超级电容6进行充电操作；超级电容6充电过程中，若超级电容6的储电量大于或等于0.8·EB，则控制模块4将第一截止频率替换为第二截止频率，继续对制动功率数据连续作一阶低通滤波处理，同步地，控制模块4通过第一双向DC-DC变换器3，使蓄电池5与四象限逆变器2导通，此时，控制模块4根据第二截止频率为两个双向DC-DC变换器3生成相应的控制指令，对蓄电池5和超级电容6同时进行充电操作；蓄电池5和超级电容6同时充电的过程中，如蓄电池5已充满或制动阶段结束，则控制模块4通过控制第一双向DC-DC变换器3，使蓄电池5与四象限逆变器2断开，如超级电容6已充满或制动阶段结束，则控制模块4通过控制第二双向DC-DC变换器3，使超级电容6与四象限逆变器2断开；
如蓄电池5和超级电容6均已充满，则控制模块4通过控制双向DC-DC变换器3，使蓄电池5和超级电容6都与四象限逆变器2断开；
所述第一截止频率的数值小于第二截止频率的数值。
Claims (1)
1.一种基于功率-时间曲线的城轨列车车载储能系统控制方法，所述城轨列车车载储能系统包括牵引电机(1)、四象限逆变器(2)、两台双向DC-DC变换器(3)、控制模块(4)、蓄电池(5)、超级电容(6)、电阻耗能装置(7)和接触网(8)；
所述牵引电机(1)的输入端与四象限逆变器(2)的三相连接端连接；四象限逆变器(2)的直流端与接触网(8)连接，同时，四象限逆变器(2)的直流端通过第一双向DC-DC变换器(3)与蓄电池(5)连接，同时，四象限逆变器(2)的直流端通过第二双向DC-DC变换器(3)与超级电容(6)连接，同时，四象限逆变器(2)的直流端与电阻耗能装置(7)连接；双向DC-DC变换器(3)的控制部与控制模块(4)连接；所述蓄电池(5)和超级电容(6)内均设置有电量检测电路，电量检测电路与控制模块(4)连接；所述控制模块(4)与车载功率计连接；
其特征在于：城轨列车惰行阶段中，所述城轨列车车载储能系统控制方法按以下步骤进行处理：
城轨列车开始惰行后，1)控制模块(4)通过电量检测电路对蓄电池(5)和超级电容(6)的当前储电量进行检测，然后根据当前储电量，分别计算出蓄电池(5)的剩余可充电容量E1和超级电容(6)的剩余可充电容量E2；
对E1进行识别：若E1＜0.15·EA，结束惰行阶段的操作；若E1≥0.15·EA，继续对E2进行识别：若E2＜0.7·EB，计算出蓄电池(5)和超级电容(6)的剩余可充电总容量Emax后，进入步骤2)；若E2≥0.7·EB，结束惰行阶段的操作；EA为蓄电池(5)的总容量，EB为超级电容(6)的总容量，Emax＝E1+E2；
2)根据列车自动驾驶曲线，计算出随后的制动阶段的功率-时间曲线，然后根据功率-时间曲线计算出预测制动时间tzd和预测制动功率Pzd；然后根据下式计算出预计总能量Ezd：
预计总能量Ezd为：制动阶段中，预计会充入蓄电池(5)和超级电容(6)的能量之和；进入步骤3)；
3)对Emax和Ezd进行比较：若Emax＞Ezd，进入步骤4)，若Emax≤Ezd，则结束惰行阶段的操作；
4)控制模块(4)通过控制双向DC-DC变换器(3)，使超级电容(6)向蓄电池(5)充电，充电过程中，满足如下任一条件，充电动作停止：条件一，超级电容(6)的储电量小于或等于0.05·EB；条件二，蓄电池(5)已充满；条件三，城轨列车惰行阶段结束；
城轨列车制动阶段中，所述城轨列车车载储能系统控制方法按以下步骤进行处理：
制动阶段中，控制模块(4)从车载功率计上实时获取制动功率数据，同时，控制模块(4)通过电量检测电路对蓄电池(5)和超级电容(6)的储电量进行实时检测；城轨列车开始制动后：
如蓄电池(5)已充满、超级电容(6)未充满，则控制模块(4)通过控制双向DC-DC变换器(3)，使超级电容(6)与四象限逆变器(2)导通、蓄电池(5)与四象限逆变器(2)断开，同时，控制模块(4)以第一截止频率作为一阶低通滤波的截止频率，对制动功率数据连续作一阶低通滤波处理，此时，控制模块(4)根据第一截止频率为第二双向DC-DC变换器(3)生成相应的功率控制指令，对超级电容(6)进行充电操作；充电过程中，满足如下任一条件，控制模块(4)通过控制第二双向DC-DC变换器(3)，使超级电容(6)与四象限逆变器(2)断开：条件1，制动阶段结束，条件2，超级电容(6)已充满；
如蓄电池(5)和超级电容(6)均未充满，则控制模块(4)通过控制双向DC-DC变换器(3)，使超级电容(6)与四象限逆变器(2)导通、蓄电池(5)与四象限逆变器(2)断开，同时，控制模块(4)以第一截止频率作为一阶低通滤波的截止频率，对制动功率数据连续作一阶低通滤波处理，此时，控制模块(4)根据第一截止频率为第二双向DC-DC变换器(3)生成相应的功率控制指令，对超级电容(6)进行充电操作；超级电容(6)充电过程中，若超级电容(6)的储电量大于或等于0.8·EB，则控制模块(4)将第一截止频率替换为第二截止频率，继续对制动功率数据连续作一阶低通滤波处理，同步地，控制模块(4)通过第一双向DC-DC变换器(3)，使蓄电池(5)与四象限逆变器(2)导通，此时，控制模块(4)根据第二截止频率为两个双向DC-DC变换器(3)生成相应的控制指令，对蓄电池(5)和超级电容(6)同时进行充电操作；蓄电池(5)和超级电容(6)同时充电的过程中，如蓄电池(5)已充满或制动阶段结束，则控制模块(4)通过控制第一双向DC-DC变换器(3)，使蓄电池(5)与四象限逆变器(2)断开，如超级电容(6)已充满或制动阶段结束，则控制模块(4)通过控制第二双向DC-DC变换器(3)，使超级电容(6)与四象限逆变器(2)断开；
如蓄电池(5)和超级电容(6)均已充满，则控制模块(4)通过控制双向DC-DC变换器(3)，使蓄电池(5)和超级电容(6)都与四象限逆变器(2)断开；
所述第一截止频率的数值小于第二截止频率的数值。
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