CN110676833A - 轨道能量回馈系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种轨道能量回馈系统及其控制方法，轨道能量回馈系统包括监控装置和分别与监控装置相连的第一储能模块和第二储能模块，方法包括：监控装置获取第一储能模块的运行状态信息；根据运行状态信息判断第一储能模块是否发生故障；如果第一储能模块发生故障，则控制第二储能模块进行充电或放电补偿。本发明提供冗余备用储能模块，以在常规储能模块故障时，通过备用储能模块进行充放电补偿，从而极大地提高了供电质量及供电可靠性，同时提升了储能系统利用率。

Description

轨道能量回馈系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及轨道供电技术领域，特别涉及一种轨道能量回馈系统及其控制方法。

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，一般采用直流牵引供电方式。传统的轨道供电系统，在制动回馈阶段一般采用电阻进行能量消耗，会造成极大的能源浪费。

因此，从节能及环保角度出发，在轨道车辆牵引供电系统增加储能设备就成为各方关注的重要事项，而应用储能设备后如何进一步提高轨道交通供电电源性能与可靠性就显得越发重要。

目前的轨道供电系统，通常只有一个常规储能模块来进行制动能量回收或辅助放电，并没有备用的储能模块，因此，当常规储能模块发生故障时，无法满足直流牵引网的能量回收和供电需求，导致供电质量及可靠性不高。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种轨道能量回馈系统，该系统提供备用储能模块，以在常规储能模块故障时，通过备用储能模块进行充放电补偿，从而极大地提高了供电质量及供电可靠性，同时提升了储能系统利用率。

为此，本发明的另一个目的在于提出一种轨道能量回馈系统的控制方法，该方法能够提供备用储能模块，以在常规储能模块故障时，通过备用储能模块进行充放电补偿，从而极大地提高了供电质量及供电可靠性，同时提升了储能系统利用率。

为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种轨道能量回馈系统，包括：直流牵引网，用于向轨道车辆提供牵引能量；第一储能模块，所述第一储能模块与所述直流牵引网相连，以通过所述直流牵引网充电或向所述直流牵引网放电；第二储能模块，所述第二储能模块与所述直流牵引网相连，用于对所述直流牵引网进行充电或放电补偿；监控装置，所述监控装置分别与所述第一储能模块和第二储能模块相连，用于获取所述第一储能模块的运行状态信息，以判断所述第一储能模块是否发生故障，并当所述第一储能模块发生故障时，控制所述第二储能模块对所述直流牵引网进行充电或放电补偿。

根据本发明实施例的轨道能量回馈系统，提供第二储能模块，即冗余备用储能模块，在第一储能模块，即常规储能模块故障时，通过启动冗余备用储能模块来进行相应的充放电补偿，保障储能系统正常的充放电，从而极大地提高了供电质量及供电可靠性，同时提升了储能系统利用率。

为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出了一种如本发明上述实施例所述的轨道能量回馈系统的控制方法，所述方法包括：监控装置获取所述第一储能模块的运行状态信息；根据所述运行状态信息判断所述第一储能模块是否发生故障；如果所述第一储能模块发生故障，则控制所述第二储能模块进行充电或放电补偿。

根据本发明实施例的轨道能量回馈系统的控制方法，提供第二储能模块，即冗余备用储能模块，在第一储能模块，即常规储能模块故障时，通过启动冗余备用储能模块来进行相应的充放电补偿，保障储能系统正常的充放电，从而极大地提高了供电质量及供电可靠性，同时提升了储能系统利用率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分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

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的轨道能量回馈系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的轨道能量回馈系统的控制方法的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的热备用工作模式下异常工况时的控制流程示意图；

图4是根据本发明一个实施例的冷备用工作模式下异常工况时的控制流程示意图；

图5是根据本发明一个实施例的储能单元的功率目标及实际充电功率目标获取过程示意图。

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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的轨道能量回馈系统及其控制方法。

图1是根据本发明一个实施例的轨道能量回馈系统的结构示意图。如图1所示，该轨道能量回馈系统包括：直流牵引网110、第一储能模块120、第二储能模块130和监控装置140。

其中，直流牵引网110用于向轨道车辆200提供牵引能量。

第一储能模块120与直流牵引网110相连，以通过直流牵引网110充电或向直流牵引网110放电。

第二储能模块130与直流牵引网110相连，用于对直流牵引网110进行充电或放电补偿。

监控装置140分别与第一储能模块120和第二储能模块130相连，用于获取第一储能模块120的运行状态信息，以判断第一储能模块120是否发生故障，并当第一储能模块120发生故障时，控制第二储能模块130对直流牵引网110进行充电或放电补偿。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，该系统还包括开关150。开关150设置在第二储能模块130和直流牵引网110之间，并与监控装置140相连。监控装置140用于控制开关150闭合或断开，使第二储能模块130与直流牵引网110连接或断开。

其中，如图1所示，第一储能模块120包括多个相互并联的第一储能单元121，每个第一储能单元121由第一储能电池1211和第一直流转换器1212构成，第一直流转换器1212的低压端与第一储能电池1211相连，第一直流转换器1212的高压端与直流牵引网110相连。其中，第一直流转换器1212例如为双向DCDC转换器。

第二储能模块130包括多个相互并联的第二储能单元131，每个第二储能单元131由第二储能电池1311和第二直流转换器1312构成，第二直流转换器1312的低压端与第二储能电池1311相连，第二直流转换器1312的高压端通过开关150与直流牵引网110相连。其中，第二直流转换器1312例如为双向DCDC转换器。

进一步地，如图1所示，该系统还包括不控整流电源160。不控整流电源160与直流牵引网110相连，用于通过直流牵引网110向轨道车辆200提供牵引能量，并提供直流牵引网基准电压。

具体地说，第一储能模块120为常规储能模块，即正常情况下优先使用的储能模块，第二储能模块130为冗余备用储能模块，例如在常规储能模块发生故障等状况时，作为备选使用的储能模块。第一储能模块120和第二储能模块130均包括多个储能单元，其中，每个储能单元分别由储能电池和双向DCDC转换器组成，双向DCDC低压侧与储能电池相连，双向DCDC高压侧作为储能单元的输出侧。监控装置140与常规储能模块(第一储能模块120)、冗余备用储能模块(第二储能模块130)通过通讯线相连，实时获取各储能单元运行状态信息，如故障信息、电压电流功率信息等。监控装置140与不控整流电源160通过通讯线相连，实时获取不控整流源运行状态、交流输入电压、直流输出电压电流功率信息。通讯方式可采用CAN((Controller Area Network，控制器局域网络)通讯、TCPIP(Transmission ControlProtocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网互联协议)网络通讯等。

根据轨道车辆200不同容量需求可配置多个模块化电池储能单元并联，若轨道车辆总制动功率为Pn，考虑过载因素则常规储能模块总功率大于Pn(可取1.5Pn)。同时为提高系统可靠性，配置总功率为Pn的冗余备用储能模块。

在具体示例中，该轨道能量回馈系统例如包括两种工作模式，具体为：热备用工作模式和冷备用工作模式。从提高异常时刻响应速度的角度考虑，可采用热备用工作模式，即冗余备用储能模块与常规储能模块同时运行，冗余备用储能模块与常规储能模块之间的开关持续闭合。从降低系统损耗、提高安全性的角度考虑，采用冷备用工作模式，即正常工况下常规储能模块运行，而冗余备用储能模块不运行，两者高压侧通过开关实现物理隔离；当检测到异常出现后，控制开关闭合再控制冗余备用储能模块启动运行，以进行充电或放电补偿。

根据本发明实施例的轨道能量回馈系统，提供第二储能模块，即冗余备用储能模块，在第一储能模块，即常规储能模块故障时，通过启动冗余备用储能模块来进行相应的充放电补偿，保障储能系统正常的充放电，从而极大地提高了供电质量及供电可靠性，同时提升了储能系统利用率。

本发明的进一步实施例还提出了一种轨道能量回馈系统的控制方法。该轨道能量回馈系统例如为本发明上述任意一个实施例所描述的轨道能量回馈系统。

在描述该轨道能量回馈系统的控制方法之前，首先结合图1对涉及的该轨道能量回馈系统进行简单描述。

图1是轨道能量回馈系统的结构示意图。如图1所示，该轨道能量回馈系统包括：监控装置和分别与所述监控装置相连的第一储能模块和第二储能模块，另外，还包括整流电源，具体为不控整流电源。该系统可放置于固定供电站房。其中，第一储能模块为常规储能模块，即正常情况下优先使用的储能单元，第二储能模块为冗余备用储能模块，例如在常规储能模块发生故障等状况时，作为备选使用的储能单元。具体地，第一储能模块和第二储能模块均包括多个储能单元，其中，每个储能单元分别由储能电池和双向DCDC转换器组成，双向DCDC低压侧与储能电池输出侧与相连，双向DCDC高压侧作为储能单元的输出侧。直流牵引网与不控整流电源相连，不控整流电源用于通过直流牵引网提供轨道车辆的牵引能量，并提供直流牵引网基准电压。监控装置与常规储能模块(第一储能模块)、冗余备用储能模块(第二储能模块)通过通讯线相连，实时获取各储能单元运行状态信息，如故障信息、电压电流功率信息等；与不控整流电源通过通讯线相连，实时获取不控整流源运行状态、交流输入电压、直流输出电压电流功率信息。通讯方式可采用CAN通讯、TCPIP网络通讯等。

根据轨道车辆不同容量需求可配置多个模块化电池储能单元并联，若轨道车辆总制动功率为Pn，考虑过载因素则常规储能模块总功率大于Pn(可取1.5Pn)。同时为提高系统可靠性，配置总功率为Pn的冗余备用储能模块。

在具体示例中，该轨道能量回馈系统包括两种工作模式，具体为：热备用工作模式和冷备用工作模式。从提高异常时刻响应速度的角度考虑，可采用热备用工作模式，即冗余备用储能模块与常规储能模块同时运行，冗余备用储能模块与常规储能模块之间开关持续闭合。从降低系统损耗、提高安全性的角度考虑，采用冷备用工作模式，即正常工况下常规储能模块运行，而冗余备用储能模块不运行，两者高压侧通过开关实现物理隔离；当检测到异常出现后，控制开关闭合再控制冗余备用储能模块启动运行。

在图1所示的示例中，例如，第一储能模块和第二储能模块分别包括n(n大于0)个储能单元，每个储能单元包括储能电池和DCDC转换器。进一步地，在第一储能模块和第二储能模块之间设置有开关，通过开关的开闭来控制第一储能模块和第二储能模块的导通和断开。

基于此，图2是根据轨道能量回馈系统的控制方法的流程图。如图2所示，该轨道能量回馈系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：监控装置获取第一储能模块的运行状态信息。具体地，即获取第一储能模块中各储能单元的故障信息、电压电流功率信息等。

步骤S2：根据运行状态信息判断第一储能模块是否发生故障。

步骤S3：如果第一储能模块发生故障，则控制第二储能模块进行充电或放电补偿。

具体地，在步骤S3中，控制第二储能模块进行充电或放电补偿，具体包括：根据第一储能模块的运行状态信息，确定第一储能模块中发生故障的储能单元及其数量；控制发生故障的储能单元断开与直流牵引网的连接；根据发生故障的储能单元的数量，控制第二储能模块中相应数量的储能单元开启，以进行充电或放电补偿。也即是说，当常规储能模块发生故障，则确定常规储能模块中发生故障的储能单元及数量，并控制发生故障的储能单元断开与直流牵引网的连接，然后从冗余备用储能模块中选取与发生故障的储能单元的数量相同的储能单元来进行充放电补偿，以保障系统正常供电，提高供电稳定性。

举例而言，结合图3所示，即当常规储能模块中一个或n个储能单元故障，监控装置向发生故障的储能单元发送断开与直流牵引网的连接的命令，使故障模块断开与直流牵引网的连接；并根据故障状态信息计算当前损失吸收能力Plose＝n*P。进而，监控装置将冗余备用储能模块中相应数目的储能单元的工作模式修改为常规储能模式，所采用的功率目标(即实际充电功率目标)通过通信获取。由于热备用工作模式下冗余备用储能模块处于恒流运行状态，因此数十至数百毫秒内完成故障储能单元切除及备用储能单元启用，所需时间短，对牵引网电压影响小，保证了储能系统的供电稳定性和可靠性。

具体地，根据发生故障的储能单元的数量，控制第二储能模块中相应数量的储能单元开启，以进行充电或放电补偿，具体包括：当轨道能量回馈系统处于热备用工作模式时，判断直流牵引网的当前直流电压是否大于或等于第一预设电压；如果是，则控制第二储能模块切换至强制充电模式，控制第二储能模块中相应数量的储能单元以预设的充电功率进行充电。

进一步地，持续采集直流牵引网的当前直流电压；如果当前直流电压持续上升，超出第二预设电压，则控制第二储能模块中相应数量的储能单元分别以其额定功率进行充电；其中，第二预设电压大于第一预设电压。

另一方面，如果当前直流电压小于第一预设电压，则控制第二储能模块中相应数量的储能单元分别以其实际充电功率目标进行充电。

举例而言，结合图3所示，在极端工况下(如多台轨道车辆同时大功率制动时)，此时储能系统所需吸收制动功率极大，若常规储能模块中发生故障的n个储能单元断开与直流牵引网的连接，剩余储能单元可能无法满足完全吸收制动功率，导致直流牵引网电压迅速抬升损坏设备。由于监控装置与储能单元之间存在通讯交互延时，从常规储能模块故障到监控装置获取故障信息再发送冗余备用储能模块修改模式之间根据不同通讯方式延时时间可为数毫秒至数十毫秒；在此过程中，直流电压可迅速上升。

因此对于冗余备用储能模块，如果当前直流电压Udc<UdcHigh1(即第一预设电压)，则按照接收到监控装置的指令进行相应充电操作，具体是按照实际充电功率目标进行充电补偿。关于实际充电功率目标的获取方式下文中会进行详细描述。

在本发明的实施例中，设置冗余备用储能模块强制启动电压限值UdcHigh1(即第一预设电压)。当牵引网的当前直流电压Udc>＝UdcHigh1时，说明此刻牵引网电压即将超过设计允许值，常规储能模块充电未能有效抑制电压抬升，冗余备用储能模块需要立刻介入充电，切换为强制充电模式。在强制充电模式下，考虑到采用多个储能单元并联的常规储能模块一般不会完全失效，因此，设计失效率<30％(可根据实际需求调整)，则设置最小充电功率P0＝0.3*Pstd(Pstd为储能单元额定功率)。换言之，冗余备用单元中各模块功率目标与直流电压上升幅度相关，即Pb_obj＝k(Udc-UdcHigh1)+P0，其中，P0即为预设的充电功率，取值为储能单元额定功率与失效率的乘积，其中，失效率可调。

进一步地，如果牵引网的当前直流电压继续上升超过强制满功率充电限值UdcHigh2(即第二预设电压)时，表明常规储能模块大量失效，则控制冗余备用储能模块中相应数量的储能单元以额定功率Pstd充电。其中，UdcHigh2大于UdcHigh1。持续一段时间直至直流电压降低，当Udc<UdcHigh1后，开始响应监控装置的指令，即按照实际充电功率目标进行充电。为保证输出功率突变直流电压不出现大幅波动，冗余备用储能模块中接收到切换模式指令的储能单元，由当前实际充电功率向接收到的功率目标平滑，切换为常规储能模式；未接收到切换模式指令的储能单元，由当前实际充电功率向0功率目标逐渐减小，切换为冗余备用模式，例如图3所示。

在本发明的另一个实施例中，根据发生故障的储能单元的数量，控制第二储能模块中相应数量的储能单元开启，以进行充电或放电补偿，具体还包括：当轨道能量回馈系统处于冷备用工作模式时，控制设置在第一储能模块和第二储能模块之间的开关闭合；控制第二储能模块中相应数量的储能单元分别以其实际充电功率目标进行充电。

换言之，即当采用冷备用工作模式时，正常工况下常规储能模块运行，而冗余备用储能模块不运行，两者高压侧通过开关实现物理隔离，从而可以降低能耗；当检测到故障出现后，控制开关闭合再控制冗余备用储能模块启动运行。

举例而言，结合图4所示，当常规储能模块中一个或n个储能单元故障，监控装置向发生故障的储能单元发送断开与直流牵引网的连接的命令，使故障模块断开与直流牵引网的连接，系统进入备用模式。监控装置控制常规储能模块和冗余备用储能模块之间开关闭合，将冗余备用储能模块中相应数目的储能单元的工作模式修改为正常模式，并发送启动命令，冗余备用储能模块中相应数量的储能单元接收到启动命令后开始启动。冗余备用储能模块的双向DCDC工作在恒功率模式，初始功率目标为0，启动完成后开始接收监控装置发送的功率目标。

由于常规储能模块与冗余备用储能模块之间存在开关物理隔离，即使出现输出母线短路等极端失效工况时，也只会导致常规储能模块损坏，而不会影响冗余备用储能模块。在排除短路等失效故障后，将常规储能模块完全切除，再投入冗余备用储能模块，可在较短时间内恢复轨道供电，而不至于造成长时间的交通停滞，从而保障了行车安全性以及系统供电的稳定性和可靠性。

在本发明的实施例中，上述的实际充电功率目标可根据每个储能单元的功率目标和对应的功率限值得到。其中，充电时，功率限值为充电功率限值，并取充电功率限值和功率目标的最大值作为实际充电功率目标；放电时，功率限值为放电功率限值，并取放电功率限值和功率目标的最小值作为实际放电功率目标。

举例而言，考虑到储能电池初始状态差异、电池化学特性一致性差异，在系统运行过程中各储能单元的储能电池SOC可能存在较大差异，因此需要对各储能单元的充电功率目标进行处理，以延长电池使用寿命。根据电池特性，在SOC高时应减小充电功率、SOC低应该减小放电功率。结合图5所示，对单个储能单元的功率目标进行修正的过程如下：

总功率目标为放电时：

…

总功率目标为充电时：

…

其中，Pobj1、Pobj2到Pobjn分别为基于SOC(State of Charge，荷电状态)获取的各储能单元的功率目标，SOC1、SOC2到SOCn为各储能单元的储能电池SOC。

进一步地，各储能单元的双向DCDC基于温度、额定功率等得到当前允许充电功率限值为-Pchargelimit1、-Pchargelimit2…-Pchargelimitn，允许放电功率限值为Pdischargelimit1、Pdischargelimit1…Pdischargelimitn。各储能单元的双向DCDC接收到功率目标与自身充电功率限值比较得到实际充电功率目标。具体地，充电时，取充电功率限值和功率目标的最大值作为实际充电功率目标；放电时，取放电功率限值和功率目标的最小值作为实际放电功率目标。具体地说，结合图5所示，各储能单元实际充电功率目标如下所示：

接收目标为充电时：

Pobj1’＝max(Pobj1，-Pchargelimit1)

Pobj2’＝max(Pobj2，-Pchargelimit2)

…

Pobjn’＝max(Pobjn，-Pchargelimitn)

接收目标为放电时：

Pobj1’＝min(Pobj1，Pdischargelimit1)

Pobj2’＝min(Pobj2，Pdischargelimit2)

…

Pobjn’＝min(Pobjn，Pdischargelimitn)。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：在轨道车辆牵引时，判断直流牵引网的当前直流电压是否低于第三预设电压；如果是，则控制第一储能模块和/或第二储能模块中的部分或全部储能单元放电，直至当前直流电压趋近于直流牵引网基准电压时，停止放电。具体地说，在轨道车辆牵引时，需要很大的牵引能量，这会拉低直流牵引网的直流电压，导致直流牵引网的直流电压不稳定，特别如急起动等情况下，直流电压会极大降低，因此，需要在车辆牵引时，检测直流牵引网的当前直流电压，判断是否低于第三预设电压，记作UdcLow。若当前直流电压低于第三预设电压UdcLow，说明此时牵引能量不足，需要储能单元放电来补充牵引能量，保证轨道车辆起动所需的牵引能量，维持直流牵引网的稳定，具体包括：控制第一储能模块和/或第二储能模块中的部分或全部储能单元进行放电，直至当前直流电压趋近于直流牵引网基准电压(记作Udc_std)时，停止放电，以满足轨道车辆所需的牵引能量，同时也保证储能单元时刻具有吸收能量的能力。需要说明的是，在放电时，一般是第一储能模块优先放电，当第一储能模块中的部分或全部储能单元放电即可满足电能需求时，则不启动第二储能模块，而当第一储能模块出现故障或第一储能模块不足以满足电能需求时，再启动第二储能模块，根据所需剩余电能来控制第二储能模块中的部分或全部储能单元放电，从而满足电能需求。其中，储能单元在放电过程中的放电功率目标与直流电压下降幅度相关，即Pb_obj＝k1(Udc-UdcLow)Pstd。直流牵引网基准电压Udc_std由不控整流源将交流电整流为直流提供，具体为：Udc_std＝1.414*Uac，其中，Uac为交流电网电压。Udc_为当前直流电压，Pstd为储能单元的额定功率。

进一步地，该轨道能量回馈系统的控制方法还包括：检测发生故障的储能单元对应的故障类型；如果故障类型为第一故障类型，则控制发生故障的储能单元重启，并控制第二储能模块中相应的储能单元断开与直流牵引网的连接；如果故障类型为第二故障类型，则发出检修提示。其中，第一故障类型例如为一般故障，无需检修可继续重启使用；第二故障类型例如为严重故障，需要检修或更换后才能继续使用。

举例而言，结合图3和图4所示，在热备用工作模式和冷备用工作模式下，均需要对故障类型进行判断，以便采取不同的处理措施。具体过程如下：发生故障的储能单元通过故障自检程序判断故障类型；若为一般故障(即第一类型故障)，则允许重新启动，则向监控装置上发模块恢复正常标志位；监控装置接收到该标志位后，向故障模块下发启动命令，待故障模块重新启动完成后，将冗余备用储能模块中相应数量的备用储能单元停机切除，即断开与直流牵引网的连接。若为严重故障(即第二类型故障)，则不允许重新启动，并向维护人员发送故障信息提示设备需检修，以提醒维护人员及时检修或更换。当发生故障的储能单元全部恢复正常运行后，即所有冗余备用的储能单元均断开与直流牵引网的连接后，监控装置控制常规储能模块和冗余备用储能模块之间的开关断开，系统重新进入正常运行模式。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：当轨道能量回馈系统处于热备用工作模式且第一储能模块未发生故障时，控制第一储能模块和第二储能模块同时运行，以启动轨道储能系统，其中，第一储能模块和第二储能模块分别以恒功率运行。换言之，即轨道能量回馈系统启动并处于热备用工作模式，且无故障发生，处于正常工况下，此时，以正常工作模式运行。其中，第一储能模块和第二储能模块分别以恒功率运行，可以理解为：控制第一储能模块中运行的储能单元以同一功率充电或放电，控制第二储能模块中运行的储能单元以同一功率充电或放电。也即是说，第一储能模块中运行的储能单元的充放电功率一致，第二储能模块中运行的储能单元的充放电功率一致。更为具体地，第一储能模块中各储能单元的初始功率为0，第二储能模块中各储能单元的初始功率为0。

举例而言，系统启动过程如下：监控装置接收到供电指令后，先判断交流电网电压，交流电网电压正常时控制不控整流电源启动；判断不控整流电源输出电压是否稳定在正常范围之内(直流牵引网基准电压由不控整流源将交流电整流为直流提供，实时检测交流电网电压Uac并计算出直流牵引网标准电压(Udc_std＝1.414*Uac)，初始条件下牵引网实际电压应小于等于Udc_std)。若直流电压正常则控制常规储能模块启动，常规储能模块的DCDC设置为以恒功率运行，初始功率目标为0。待常规储能模块启动到运行状态后，再控制冗余备用储能模块启动，冗余备用储能模块的DCDC同样设置为以恒功率运行，初始功率目标为0。常规储能模块与冗余备用储能模块均启动完成且牵引网电压正常后，监控装置上发轨道能量回馈系统启动完成标志，完成轨道能量回馈系统的启动。

进一步地，在正常工作模式下，常规储能模块在直流电压上升即轨道车辆制动时充电吸收能量。为保证储能电池时刻具备吸收能量的能力，需要在直流电压下降即轨道车辆牵引时进行适当放电，将储能电池SOC控制在较低的水平。监控装置负责计算充电功率目标，根据牵引网电压及整流源输出功率。制动时设置电压限值UdcHigh，当Udc>＝UdcHigh时，储能系统总功率目标PobjSum＝-k(Udc-UdcHigh1)；电压开始降低低于Udc_std后，调节减小储能系统充电功率使得整流源输出基本不输出，伴随制动功率减小充电功率目标逐步递减到0。牵引时直流电压低于UdcLow后，储能系统根据直流电压及整流源输出功率，以一定功率放电；当直流电压恢复到Udc_std附近时放电目标清零。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：当轨道能量回馈系统处于冷备用工作模式且第一储能模块未发生故障时，控制第一储能模块启动，且控制第二储能模块断开与直流牵引网的连接，以启动轨道能量回馈系统，其中，第一储能模块以恒功率运行。换言之，即轨道能量回馈系统启动并处于冷备用工作模式，且无故障发生，处于正常工况下，此时，以正常工作模式运行。其中，第一储能模块以恒功率运行，可以理解为：控制第一储能模块中运行的储能单元以同一功率充电或放电。也即是说，第一储能模块中运行的储能单元的充放电功率一致。更为具体地，第一储能模块中各储能单元的初始功率为0。

举例而言，系统启动过程如下：监控装置接收到供电指令后，先判断交流电网电压，交流电网电压正常时控制不控整流电源启动；判断不控整流电源输出电压是否稳定在正常范围之内(直流牵引网基准电压由不控整流源将交流电整流为直流提供，实时检测交流电网电压Uac并计算出直流牵引网标准电压(Udc_std＝1.414*Uac)，初始条件下牵引网实际电压应小于等于Udc_std)。若直流电压正常则控制常规储能模块启动，常规储能模块的DCDC设置为以恒功率运行，初始功率目标为0；冗余备用储能模块不启动，仅提供二次回路供电，可监控电压电流及电池状态。常规储能模块启动完成且牵引网电压正常后，系统工作在正常模式，监控装置上发轨道能量回馈系统启动完成标志完成轨道能量回馈系统的启动。其中，冷备用工作模式时的正常工作模式的具体过程与前述热备用工作模式时的正常工作模式相类似，其差异在于冷备用工作模式下，冗余备用储能模块不启动，从而降低了系统能耗，为减少冗余，此处不再赘述。

综上，本发明实施例的轨道能量回馈系统的控制方法，在热备用工作模式下，冗余备用储能模块一直处于运行状态，因此数十至数百毫秒内完成故障模块切除及备用模块启用，对牵引网电压影响小时间短。在冷备用模式下，能够降低供电系统损耗，在输出母线短路等极端失效工况时备用单元不会损坏，在排除故障后再投入冗余备用单元，可在较短时间内恢复轨道供电，而不至于造成长时间的交通停滞。从而，有效提高了系统供电稳定性和可靠性。

需要说明的是，本发明上述实施例描述的冷备用工作模式和热备用工作模式，可根据实际需求灵活选择，例如，可单独采用冷备用工作模式或热备用工作模式，也可以采用热备用与冷备用同时配置的方式，以应对各种极端工况。绝大多数工况下系统工作于热备用方式，在出现常规储能模块与热备用单用同时故障时可切换冷备用单元实现短时间内的应急回馈供电。

根据本发明实施例的轨道能量回馈系统的控制方法，提供第二储能模块，即冗余备用储能模块，在第一储能模块，即常规储能模块故障时，通过启动冗余备用储能模块来进行相应的充放电补偿，保障储能系统正常的充放电，从而极大地提高了供电质量及供电可靠性，同时提升了储能系统利用率。

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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (15)

1.一种轨道能量回馈系统，其特征在于，包括：

直流牵引网，用于向轨道车辆提供牵引能量；

第一储能模块，所述第一储能模块与所述直流牵引网相连，以通过所述直流牵引网充电或向所述直流牵引网放电；

第二储能模块，所述第二储能模块与所述直流牵引网相连，用于对所述直流牵引网进行充电或放电补偿；

监控装置，所述监控装置分别与所述第一储能模块和第二储能模块相连，用于获取所述第一储能模块的运行状态信息，以判断所述第一储能模块是否发生故障，并当所述第一储能模块发生故障时，控制所述第二储能模块对所述直流牵引网进行充电或放电补偿。

2.根据权利要求1所述的轨道能量回馈系统，其特征在于，还包括：

开关，所述开关设置在所述第二储能模块和所述直流牵引网之间，并与所述监控装置相连；

所述监控装置用于控制所述开关闭合或断开，以使所述第二储能模块与所述直流牵引网连接或断开。

3.根据权利要求2所述的轨道能量回馈系统，其特征在于，

所述第一储能模块包括多个相互并联的第一储能单元，每个所述第一储能单元由第一储能电池和第一直流转换器构成，所述第一直流转换器的低压端与所述第一储能电池相连，所述第一直流转换器的高压端与所述直流牵引网相连；

所述第二储能模块包括多个相互并联的第二储能单元，每个所述第二储能单元由第二储能电池和第二直流转换器构成，所述第二直流转换器的低压端与所述第二储能电池相连，所述第二直流转换器的高压端通过所述开关与所述直流牵引网相连。

4.根据权利要求1所述的轨道能量回馈系统，其特征在于，还包括：

不控整流电源，所述不控整流电源与所述直流牵引网相连，用于通过所述直流牵引网向所述轨道车辆提供所述牵引能量，并提供直流牵引网基准电压。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述监控装置获取所述第一储能模块的运行状态信息；

根据所述运行状态信息判断所述第一储能模块是否发生故障；

如果所述第一储能模块发生故障，则控制所述第二储能模块进行充电或放电补偿。

6.根据权利要求5所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，其特征在于，所述控制所述第二储能模块进行充电或放电补偿，包括：

根据所述第一储能模块的运行状态信息，确定所述第一储能模块中发生故障的储能单元及其数量；

控制发生故障的所述储能单元断开与直流牵引网的连接；

根据发生故障的所述储能单元的数量，控制所述第二储能模块中相应数量的储能单元开启，以进行充电或放电补偿。

7.根据权利要求6所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，根据发生故障的所述储能单元的数量，控制所述第二储能模块中相应数量的储能单元开启，以进行充电或放电补偿，包括：

当所述轨道能量回馈系统处于热备用工作模式时，判断直流牵引网的当前直流电压是否大于或等于第一预设电压；

如果是，则控制第二储能模块切换至强制充电模式，控制所述第二储能模块中所述相应数量的储能单元以预设的充电功率进行充电。

8.根据权利要求7所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，还包括：

持续采集所述直流牵引网的当前直流电压；

如果所述当前直流电压持续上升，超出第二预设电压，则控制所述第二储能模块中所述相应数量的储能单元分别以其额定功率进行充电；

其中，所述第二预设电压大于所述第一预设电压。

9.根据权利要求7所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，还包括：

如果所述当前直流电压小于所述第一预设电压，则控制所述第二储能模块中所述相应数量的储能单元分别以其实际充电功率目标进行充电。

10.根据权利要求6所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，根据发生故障的所述储能单元的数量，控制所述第二储能模块中相应数量的储能单元开启，以进行充电或放电补偿，包括：

当所述轨道能量回馈系统处于冷备用工作模式时，控制设置在所述第一储能模块和第二储能模块之间的开关闭合；

控制所述第二储能模块中所述相应数量的储能单元分别以其实际充电功率目标进行充电。

11.根据权利要求10所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，

根据每个储能单元的功率目标和对应的功率限值得到所述储能单元的实际充电功率目标；

其中，充电时，所述功率限值为充电功率限值，并取所述充电功率限值和功率目标的最大值作为所述实际充电功率目标。

12.根据权利要求6所述的轨道系统的控制方法，其特征在于，所述控制所述第二储能模块进行充电或放电补偿，还包括：

在轨道车辆牵引时，判断直流牵引网的当前直流电压是否低于第三预设电压；

如果是，则控制所述第一储能模块和/或第二储能模块中的部分或全部储能单元放电，直至所述当前直流电压趋近于直流牵引网基准电压时，停止放电。

13.根据权利要求6-12任一项所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，还包括：

检测发生故障的所述储能单元对应的故障类型；

如果所述故障类型为第一故障类型，则控制发生故障的所述储能单元重启，并控制所述第二储能模块中相应的储能单元断开与直流牵引网的连接；

如果所述故障类型为第二故障类型，则发出检修提示。

14.根据权利要求7所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述轨道能量回馈系统处于所述热备用工作模式且所述第一储能模块未发生故障时，控制所述第一储能模块和第二储能模块同时运行，以启动所述轨道储能系统，其中，所述第一储能模块和第二储能模块分别以恒功率运行。

15.根据权利要求10所述的轨道能量回馈系统的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述轨道能量回馈系统处于所述冷备用工作模式且所述第一储能模块未发生故障时，控制所述第一储能模块启动，且控制所述第二储能模块断开与直流牵引网的连接，以启动所述轨道能量回馈系统，其中，所述第一储能模块以恒功率运行。

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