CN111806235B - 一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法，包括两种控制方式：一种是车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略；另一种是与车地独立控制的车地分层控制策略；通过两种控制策略实现地面储能系统与车载储能系统的能量管理控制，完成车地一体牵引应急储能供电。本发明能够解决极端特殊线路情况下列车运行的稳定性与安全性问题以及牵引网网压波动过大的问题；能够实时分配车载储能与地面储能功率输出，确保列车安全高效运行，降低牵引网网压波动性，能够提供列车与牵引网在极端情况下的应急供电能力，保证列车与牵引网运行的稳定性与安全性。

Description

一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法
技术领域
本发明属于列车供电技术领域，特别是涉及一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法。
背景技术
在面对偏远地区的铁路段，由于铁路营运环境恶劣，外部电网薄弱，维护困难，使得供电可靠性面临巨大挑战。例如川藏铁路就是存在上述问题。牵引网一旦出现故障，抢修时间较长，可能给乘客带来不安，甚至威胁到乘客的健康和生命安全，极端线路下应急保障供电当前极具挑战性的研究课题。
传统的列车应急电源系统只能处理列车在一般线路情况下的应急状况，在面对极端线路情况时已不适用。地面储能方面目前已有光伏与储能系统接入牵引网方案，可以提高新能源利用率，但无法提高牵引系统在极端线路下车辆应急能力，难以适应极端运行情况，目前国内外还未见关于提高列车与牵引网在恶劣环境下安全性与稳定性的车地一体牵引保障系统有关研究。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法，能够解决极端特殊线路情况下列车运行的稳定性与安全性问题以及牵引网网压波动过大的问题；能够实时分配车载储能与地面储能功率输出，确保列车安全高效运行，降低牵引网网压波动性，能够提高列车与牵引网在极端情况下的应急供电能力，保证列车与牵引网运行的稳定性与安全性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，包括两种控制方式：一种是车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略；另一种是车地独立控制的车地分层控制策略；通过两种控制策略实现地面储能系统与车载储能系统的能量管理控制，完成车地一体应急储能供电；
通过上述两种控制策略：在牵引供电正常模式时，车地一体化的车载与地面储能为列车启动、爬坡、加速时提供峰值功率，制动时回收再生制动能量，同时稳定网压、改善电能质量；在列车过电分相或其它无电区时，车载储能为列车不间断供电，回收列车制动能量，利用地面储能维持牵引网网压；在牵引供电故障时，则车载与地面储能为列车提供应急牵引电量保障列车安全运行到最近安全站点，维持列车辅助系统运行，回收列车制动能量。
进一步的是，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略包含第一车载储能系统控制策略、第一地面储能系统控制策略以及车车、车地通讯单元；
所述第一车载储能系统控制策略控制车载储能与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第一地面储能系统控制策略根据当前供电区间车载储能的充放电功率、当前牵引负荷及牵引网压状态，控制地面储能系统的充放电功率；所述车车、车地通讯单元实现列车与列车间的通讯，列车与地面储能系统间的通讯。
进一步的是，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一车载储能系统控制策略包括步骤：
S101：判断列车运行位置，若列车处于过无电区状态，则进入S1011；若列车未处于过无电区状态，则进入S102；
S1011：通过接口单元将车载储能单元与列车牵引系统以及辅助系统连接，维持列车匀速运行并为列车辅助系统供电，此时车载储能系统输出功率PBC＝Pnbsf，其中Pnbsf为列车过无电区时需求功率；转入S103；
S102：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S1021，否则转入S1022；
S1021：牵引网处于正常状态，车载储能单元输出PBC为当前SOC状态下的期望输出PBCq＝(SOCBC-SOCBCq)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCBCq为车载储能单元当前期望荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；
S1022：牵引网处于异常状态，车载储能系统与故障供电区间内地面储能系统一起组成孤网系统，为整个孤网内所有列车提供能量，此时列车终点为最近站点；车载储能单元输出P'BC为应急状态中当前SOC约束下的期望输出P'BCq＝(SOCBC-SOCLC)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态，PBCmax为车载储能单元期望最大输出功率；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；
S103：判断列车是否到达终点，若到达终点，则结束运行，否则返回S101。
进一步的是，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一地面储能系统控制策略包括步骤：
S201：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S202；否则转入S203；
S202：牵引网处于正常模式，统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率PBCi，并计算车载储能单元总输出功率
Figure GDA0003609287790000031
其中n为接入牵引网的车载储能单元数量；进入S2021；
S2021：牵引网实时负荷为Pload，此时车载储能单元功率输出已确定，实时分配牵引网功率输出PN与地面储能单元功率输出PBL，地面储能单元期望输出为PBLq＝(SOCBL-SOCLL)/(SOCHL-SOCLL)*PBLmax,其中SOCBL为地面储能单元荷电状态，SOCHL与SOCLL为地面储能单元限制最高与最低荷电状态，PBLmax为地面储能单元期望最大输出功率；约束牵引网输出功率变化率不能过大，即设定约束条件PNL-ΔP'·ΔT≤PN≤PNL+ΔP'·ΔT,其中PNL为上一时刻牵引网输出功率，ΔP'为牵引网输出最大波动率，ΔT为间隔时间；进入S2022；
S2022：令PN＝Pload-PBC-PBLq，若PN＜PNL-ΔP'·ΔT，则，PN＝PNL-ΔP'·ΔT；若PN＞PNL+ΔP'·ΔT，则PN＝PNL+ΔP'·ΔT；令PBL＝Pload-PBC-PN，完成功率分配；进入S2023；
S2023：通过地面能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；
S203：牵引网处于异常模式，故障供电区间内地面储能系统与车载储能系统组成孤网，为整个孤网内所有列车提供能量，保证列车安全行驶到达最近站点；统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率P'BCi，并计算车载储能单元总输出功率
Figure GDA0003609287790000032
转入S2031；
S2031：牵引网实时负荷为P'load，地面储能单元输出功率为P'BL＝P'load-P'BC，完成功率分配；进入S2032；
S2032：通过能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率输出调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；
S204：若牵引网内有车辆运行，则返回S201；若牵引网处于异常状态且无车辆运行，则结束牵引网运行，进行牵引网供电区间维修。
进一步的是，所述车地分层控制策略包括第二车载储能系统控制策略和第二地面储能系统控制策略，所述第二车载储能系统控制策略控制车载储能单元与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第二地面储能系统控制策略根据牵引网网压波动情况控制地面储能系统功率输出。
进一步的是，所述车地分层控制策略中第二车载储能系统控制策略，包括步骤：
S301：判断列车运行位置，若列车处于过无电区状态，则进入S3011；若列车未处于过无电区状态，则进入S302；
S3011：通过接口单元将车载储能单元与列车牵引系统以及辅助系统连接，维持列车匀速运行并为列车辅助系统供电，此时车载储能系统输出功率PBC＝Pnbsf，其中Pnbsf为列车过无电区时需求功率；转入S303；
S302：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S3021，否则转入S3022；
S3021：牵引网处于正常状态，车载储能单元输出PBC为当前SOC状态下的期望输出PBCq＝(SOCBC-SOCBCq)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCBCq为车载储能单元当前期望荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S303；
S3022：牵引网处于异常状态，车载储能系统与故障供电区间内地面储能系统一起组成孤网系统，为整个孤网内所有列车提供能量，此时列车终点为最近站点；车载储能单元输出P'BC为应急状态中当前SOC约束下的期望输出P'BCq＝(SOCBC-SOCLC)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态，PBCmax为车载储能单元期望最大输出功率；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S303；
S303：判断列车是否到达终点，若到达终点，则结束运行，否则返回S301。
进一步的是，所述车地分层控制策略中第二地面储能控制策略，包括步骤：
S401：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S402；否则转入S403；
S402：牵引网处于正常模式，监测牵引网网压波动情况ΔV；若-V'＜ΔV＜V'，则地面储能单元维持期望功率期望输出P'BDq＝(SOCBD-SOCLD)/(SOCHD-SOCLD)*PBDmax，其中SOCBD为地面储能单元荷电状态，SOCHD与SOCLD为地面储能单元限制最高与最低荷电状态，PBDmax为地面储能单元期望最大输出功率，确保地面储能单元荷电状态平稳；若ΔV＞V'，则通过牵引网为地面储能单元充电，降低牵引网压；若ΔV＜-V'，则控制地面储能单元为牵引网供电，抬升牵引网压；进入S404；
S403：牵引网处于异常模式，故障供电区间内地面储能系统与车载储能系统组成孤网，为整个孤网内所有列车提供能量，地面储能单元提供牵引网所需负荷，保证列车安全行驶到达最近站点；进入S404；
S404：若牵引网内有车辆运行，则返回S401；若牵引网处于异常状态且无车辆运行，则结束牵引网运行，进行牵引网供电区间维修。
另一方面，本发明还提供了一种车地一体多功能应急储能供电系统，包括车载储能系统与地面储能系统；
所述车载储能系统包括车载储能装置、列车辅助系统、车载能量管理控制器、列车直流母线，所述车载能量管理控制器通过控制连接车载储能装置、列车辅助系统和列车牵引系统，所述车载储能装置、列车辅助系统和牵引网并列连接至直流母线，所述直流母线通过换流设备连接至列车牵引系统；
所述地面储能系统包括地面储能单元、地面双向DC/DC变流器、单相逆变器、背靠背逆变器、地面能量管理控制器，所述地面储能单元通过地面双向DC/DC变流器连接至单相逆变器或者背靠背逆变器，再通过降压变压器连接至牵引网，实现与牵引网之间的能量传输；所述地面能量管理控制器将控制信号发送给地面双向DC/DC变流器、单相逆变器、背靠背逆变器，实时控制地面储能单元与牵引网之间的能量传输。
进一步的是，所述车载储能装置包括车载储能单元和车载双向DC/DC变流器，车载储能单元通过车载双向DC/DC变流器与直流母线连接，或者通过车载双向DC/DC变流器、逆变器与牵引网交流测变压器连接，在列车启动、爬坡、加速时提供峰值功率，回收再生制动能量；车载双向DC/DC变流器连接车载储能单元与直流母线，车载双向DC/DC变流器与牵引逆变器、牵引网逆变器组成车载接口单元，在列车运行过程中控制车载储能单元的能量传输并监控维持直流母线电压；
所述列车辅助系统包括列车照明系统、控制系统、空调系统、通风系统以及列车应急时氧气循环系统应急救援系统，与直流母线连接，在正常运行时由牵引网为其供电，在应急状态时由车载储能单元为其供电；
所述能量管理控制器接受列车总控传输来的列车实时运行状态与牵引网状态，包括当前线路情况、车速、车载储能单元温度、SOC状态以及牵引网当前运载状态，依据控制策略与列车状态分配车载储能单元输出功率，通过信号传输线实时传输指令信号给列车辅助系统、双向DC/DC变流器以及牵引逆变器，控制车载储能单元功率输出；
所述直流母线分别连接车载储能装置、列车辅助系统和牵引逆变器与牵引网逆变器，保障车载储能系统与牵引系统间的能量传输。
采用本技术方案的有益效果：
本发明根据极端线路坡多、长、陡，长电分相，多无电区等特点提出一种车地一体化多功能牵引应急储能供电系统。能够解决极端特殊线路情况下列车运行的稳定性与安全性问题以及牵引网网压波动过大的问题；能够提高列车与牵引网在极端情况下的应急能力，保障乘客安全。
本发明在牵引网正常状态下车载储能单元与地面储能单元为列车启动、爬坡、加速时提供峰值功率，回收再生制动能量，稳定网压改善电能质量；在列车过电分相或其它无电区时为列车不间断供电，回收列车制动能量，地面储能为牵引网提供功率支持，维持牵引网网压平衡；在牵引网故障状态下车载储能与地面储能形成孤网系统，则车载与地面储能为列车提供应急牵引电量保障列车安全运行到最近安全站点，维持列车辅助系统运行，回收列车制动能量，为网内列车提供能量维持列车牵引运行与辅助系统工作。本发明提高了牵引网与列车在特殊线路下运行的稳定性，安全性以及故障应对能力。
本发明车地一体化多功能牵引应急储能供电系统控制策略实时分配车载储能与地面储能功率输出，车载储能单元在列车的运行过程中一直得到高效利用，在正常和应急状态下都可以为列车运行提供能量；确保列车安全高效运行，降低牵引网网压波动性，保证列车在极端线路条件下安全稳定运行，提高列车应急储能供电能力以及列车与牵引网运行的稳定性与安全性；通过地面储能系统中地面储能单元保证牵引网网压波动幅度较小并提高牵引网电能质量。
本发明车地一体化多功能牵引应急储能电源系统适用与各种牵引网以及运行在牵引网上的客运、货运列车，为线路运行提高稳定性与应急能力，特别适用于运行极端线路下的牵引网以及列车。本发明提出的一种车地一体化多功能牵引应急储能供电系统与控制策略，有效的填补了目前国内关于极端线路条件下车地一体化应急电源系统设计方面的空白。
附图说明
图1为本发明实施例中第一车载储能系统控制策略的流程示意图；
图2为本发明实施例中第一地面储能系统控制策略的流程示意图；
图3为本发明实施例中第二车载储能系统控制策略的流程示意图；
图4为本发明实施例中第二地面储能系统控制策略的流程示意图；
图5为本发明实施例中车载储能系统的结构示意图；
图6为本发明实施例中一种车地一体多功能应急储能供电系统的拓扑结构示意图；
1是牵引列车，11是车载储能装置，111是车载储能单元，112是双向DC/DC变流器，12是辅助装置，13是车载能量管理控制器，181是牵引逆变器，15是牵引电机系统，16是列车直流母线，17是信号传输线，182是牵引网逆变器，19是升压变压器，21是牵引变电所，22是牵引网，23是降压变压器，3是地面储能系统，31是地面储能单元，32是地面双向DC/DC变流器，33是单相逆变器，34是背靠背逆变器，35是地面能量管理控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，本发明提出了一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，包括两种控制方式：一种是车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略；另一种与车地独立控制的车地分层控制策略；通过两种控制策略实现地面储能系统与车载储能系统的能量管理控制，完成车地一体应急储能供电；
通过上述两种控制策略：在牵引供电正常模式时，车地一体化的车载与地面储能为列车启动、爬坡、加速时提供峰值功率，制动时回收再生制动能量，同时稳定网压、改善电能质量；在列车过电分相或其它无电区时，车载储能为列车不间断供电，回收列车制动能量，利用地面储能维持牵引网网压；在牵引供电故障时，则车载与地面储能为列车提供应急牵引电量保障列车安全运行到最近安全站点，维持列车辅助系统运行，回收列车制动能量。
作为上述实施例的优化方案，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略包含第一车载储能系统控制策略、第一地面储能系统控制策略以及车车、车地通讯单元；
所述第一车载储能系统控制策略控制车载储能与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第一地面储能系统控制策略根据当前供电区间车载储能的充放电功率、当前牵引负荷及牵引网压状态，控制地面储能系统的充放电功率；所述车车、车地通讯单元实现列车与列车间的通讯，列车与地面储能系统间的通讯。
其中，如图1所示，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一车载储能系统控制策略包括步骤：
S101：判断列车运行位置，若列车处于过无电区状态，则进入S1011；若列车未处于过无电区状态，则进入S102；
S1011：通过接口单元将车载储能单元与列车牵引系统以及辅助系统连接，维持列车匀速运行并为列车辅助系统供电，此时车载储能系统输出功率PBC＝Pnbsf，其中Pnbsf为列车过无电区时需求功率；转入S103；
S102：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S1021，否则转入S1022；
S1021：牵引网处于正常状态，车载储能单元输出PBC为当前SOC状态下的期望输出PBCq＝(SOCBC-SOCBCq)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCBCq为车载储能单元当前期望荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；
S1022：牵引网处于异常状态，车载储能系统与故障供电区间内地面储能系统一起组成孤网系统，为整个孤网内所有列车提供能量，此时列车终点为最近站点；车载储能单元输出P'BC为应急状态中当前SOC约束下的期望输出P'BCq＝(SOCBC-SOCLC)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态，PBCmax为车载储能单元期望最大输出功率；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；
S103：判断列车是否到达终点，若到达终点，则结束运行，否则返回S101。
其中，如图2所示，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一地面储能系统控制策略包括步骤：
S201：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S202；否则转入S203；
S202：牵引网处于正常模式，统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率PBCi，并计算车载储能单元总输出功率
Figure GDA0003609287790000091
其中n为接入牵引网的车载储能单元数量；进入S2021；
S2021：牵引网实时负荷为Pload，此时车载储能单元功率输出已确定，实时分配牵引网功率输出PN与地面储能单元功率输出PBL，地面储能单元期望输出为PBLq＝(SOCBL-SOCLL)/(SOCHL-SOCLL)*PBLmax,其中SOCBL为地面储能单元荷电状态，SOCHL与SOCLL为地面储能单元限制最高与最低荷电状态，PBLmax为地面储能单元期望最大输出功率；约束牵引网输出功率变化率不能过大，即设定约束条件PNL-ΔP'·ΔT≤PN≤PNL+ΔP'·ΔT,其中PNL为上一时刻牵引网输出功率，ΔP'为牵引网输出最大波动率，ΔT为间隔时间；进入S2022；
S2022：令PN＝Pload-PBC-PBLq，若PN＜PNL-ΔP'·ΔT，则，PN＝PNL-ΔP'·ΔT；若PN＞PNL+ΔP'·ΔT，则PN＝PNL+ΔP'·ΔT；令PBL＝Pload-PBC-PN，完成功率分配；进入S2023；
S2023：通过地面能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；
S203：牵引网处于异常模式，故障供电区间内地面储能系统与车载储能系统组成孤网，为整个孤网内所有列车提供能量，保证列车安全行驶到达最近站点；统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率P'BCi，并计算车载储能单元总输出功率
Figure GDA0003609287790000101
转入S2031；
S2031：牵引网实时负荷为P'load，地面储能单元输出功率为P'BL＝P'load-P'BC，完成功率分配；进入S2032；
S2032：通过能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率输出调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；
S204：若牵引网内有车辆运行，则返回S201；若牵引网处于异常状态且无车辆运行，则结束牵引网运行，进行牵引网供电区间维修。
作为上述实施例的优化方案，所述车地分层控制策略包括第二车载储能系统控制策略和第二地面储能系统控制策略，所述第二车载储能系统控制策略控制车载储能单元与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第二地面储能系统控制策略根据牵引网网压波动情况控制地面储能系统功率输出。
其中，如图3所示，所述车地分层控制策略中第二车载储能系统控制策略，包括步骤：
S301：判断列车运行位置，若列车处于过无电区状态，则进入S3011；若列车未处于过无电区状态，则进入S302；
S3011：通过接口单元将车载储能单元与列车牵引系统以及辅助系统连接，维持列车匀速运行并为列车辅助系统供电，此时车载储能系统输出功率PBC＝Pnbsf，其中Pnbsf为列车过无电区时需求功率；转入S303；
S302：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S3021，否则转入S3022；
S3021：牵引网处于正常状态，车载储能单元输出PBC为当前SOC状态下的期望输出PBCq＝(SOCBC-SOCBCq)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCBCq为车载储能单元当前期望荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S303；
S3022：牵引网处于异常状态，车载储能系统与故障供电区间内地面储能系统一起组成孤网系统，为整个孤网内所有列车提供能量，此时列车终点为最近站点；车载储能单元输出P'BC为应急状态中当前SOC约束下的期望输出P'BCq＝(SOCBC-SOCLC)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态，PBCmax为车载储能单元期望最大输出功率；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S303；
S303：判断列车是否到达终点，若到达终点，则结束运行，否则返回S301。
其中，如图4所示，所述车地分层控制策略中第二地面储能控制策略，包括步骤：
S401：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S402；否则转入S403；
S402：牵引网处于正常模式，监测牵引网网压波动情况ΔV；若-V'＜ΔV＜V'，则地面储能单元维持期望功率期望输出P'BDq＝(SOCBD-SOCLD)/(SOCHD-SOCLD)*PBDmax，其中SOCBD为地面储能单元荷电状态，SOCHD与SOCLD为地面储能单元限制最高与最低荷电状态，PBDmax为地面储能单元期望最大输出功率，确保地面储能单元荷电状态平稳；若ΔV＞V'，则通过牵引网为地面储能单元充电，降低牵引网压；若ΔV＜-V'，则控制地面储能单元为牵引网供电，抬升牵引网压；进入S404；
S403：牵引网处于异常模式，故障供电区间内地面储能系统与车载储能系统组成孤网，为整个孤网内所有列车提供能量，地面储能单元提供牵引网所需负荷，保证列车安全行驶到达最近站点；进入S404；
S404：若牵引网内有车辆运行，则返回S401；若牵引网处于异常状态且无车辆运行，则结束牵引网运行，进行牵引网供电区间维修。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图5和6所示，本发明还提供了一种车地一体多功能应急储能供电系统，包括车载储能系统与地面储能系统3；
所述车载储能系统包括车载储能装置11、列车辅助系统12、车载能量管理控制器13、列车直流母线14，所述车载能量管理控制器13通过控制连接车载储能装置11、列车辅助系统12和列车牵引系统，所述车载储能装置11、列车辅助系统12和牵引网22并列连接至直流母线，所述直流母线14通过换流设备连接至列车牵引系统；
所述地面储能系统包括地面储能单元31、地面双向DC/DC变流器32、单相逆变器33、背靠背逆变器34、地面能量管理控制器35，所述地面储能单元31通过地面双向DC/DC变流器32连接至单相逆变器33或者背靠背逆变器34，再通过降压变压器23连接至牵引网22，实现与牵引网22之间的能量传输；所述地面能量管理控制器35将控制信号发送给地面双向DC/DC变流器32、单相逆变器33、背靠背逆变器34，实时控制地面储能单元31与牵引网22之间的能量传输。
作为上述实施例的优化方案，所述车载储能装置11包括车载储能单元111和车载双向DC/DC变流器112，车载储能单元111通过车载双向DC/DC变流器112与直流母线14连接，或者通过车载双向DC/DC变流器112、逆变器与牵引网22交流测变压器19连接，在列车启动、爬坡、加速时提供峰值功率，回收再生制动能量；车载双向DC/DC变流器112连接车载储能单元111与直流母线14，车载双向DC/DC变流器112与牵引逆变器181、牵引网逆变器182组成车载接口单元，在列车运行过程中控制车载储能单元111的能量传输并监控维持直流母线14电压；
所述列车辅助系统12包括列车照明系统、控制系统、空调系统、通风系统以及列车应急时氧气循环系统应急救援系统，与直流母线14连接，在正常运行时由牵引网22为其供电，在应急状态时由车载储能单元111为其供电；
所述能量管理控制器13接受列车总控传输来的列车实时运行状态与牵引网22状态，包括当前线路情况、车速、车载储能单元温度、SOC状态以及牵引网22当前运载状态，依据控制策略与列车状态分配车载储能单元111输出功率，通过信号传输线17实时传输指令信号给列车辅助系统12、双向DC/DC变流器112以及牵引逆变器181，控制车载储能单元功率输出；
所述直流母线14分别连接车载储能装置11、列车辅助系统12和牵引逆变器181与牵引网逆变器182，保障车载储能系统与牵引系统间的能量传输。
所述车载储能单元可为动力电池、超级电容等任何可能的储能形式；所述接口单元可以是通过单级或双极逆变器接入交直交变流器网侧母线，也可以是含或不含双向DC/DC接入交直交变流器的直流母线；所述能量控制器接受列车总控传输来的列车实时运行状态，包括当前线路情况，车速，车载储能单元温度，SOC等状态，依据控制策略与列车状态确认车载储能单元输出功率，并通过调节单级/双级逆变器或交直交逆变器实现车载储能充放电管理。
所述地面储能单元可为钛酸锂电池、超级电容、飞轮储能等任何可能的储能形式，与地面储能功率调节单元连接；所述地面储能功率调节单元主要包括双向DC/DC变流器、逆变器与降压变压器及其组合形式，连接地面储能单元与牵引网，控制地面储能单元与牵引网之间能量传输，并维持牵引网网压；所述逆变器可为单相逆变器或者背靠背逆变器。所述地面能量管理控制器根据牵引网实时电压与负荷以及控制规则，分配地面储能单元能量输出，并将控制信号传输给地面储能功率调节单元。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，包括两种控制方式：一种是车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略；另一种是车地独立控制的车地分层控制策略；通过两种控制策略实现地面储能系统与车载储能系统的能量管理控制，完成车地一体应急储能供电；
通过上述两种控制策略：在牵引供电正常模式时，车地一体化的车载与地面储能为列车启动、爬坡、加速时提供峰值功率，制动时回收再生制动能量，同时稳定网压、改善电能质量；在列车过电分相或其它无电区时，车载储能为列车不间断供电，回收列车制动能量，利用地面储能维持牵引网网压；在牵引供电故障时，则车载与地面储能为列车提供应急牵引电量，保障列车安全运行到最近安全站点，维持列车辅助系统运行，回收列车制动能量；
所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略包含第一车载储能系统控制策略、第一地面储能系统控制策略以及车车、车地通讯单元；
所述第一车载储能系统控制策略控制车载储能与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第一地面储能系统控制策略根据当前供电区间车载储能的充放电功率、当前牵引负荷及牵引网压状态，控制地面储能系统的充放电功率；所述车车、车地通讯单元实现列车与列车间的通讯，列车与地面储能系统间的通讯；
所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一车载储能系统控制策略包括步骤：
S101：判断列车运行位置，若列车处于过无电区状态，则进入S1011；若列车未处于过无电区状态，则进入S102；
S1011：通过接口单元将车载储能单元与列车牵引系统以及辅助系统连接，维持列车匀速运行并为列车辅助系统供电，此时车载储能系统输出功率PBC＝Pnbsf，其中Pnbsf为列车过无电区时需求功率；转入S103；
S102：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S1021，否则转入S1022；
S1021：牵引网处于正常状态，车载储能单元输出PBC为当前SOC状态下的期望输出PBCq＝(SOCBC-SOCBCq)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCBCq为车载储能单元当前期望荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；
S1022：牵引网处于异常状态，车载储能系统与故障供电区间内地面储能系统一起组成孤网系统，为整个孤网内所有列车提供能量，此时列车终点为最近站点；车载储能单元输出P′BC为应急状态中当前SOC约束下的期望输出P′BCq＝(SOCBC-SOCLC)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态，PBCmax为车载储能单元期望最大输出功率；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；
S103：判断列车是否到达终点，若到达终点，则结束运行，否则返回S101。
2.根据权利要求1所述的一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一地面储能系统控制策略包括步骤：
S201：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S202；否则转入S203；
S202：牵引网处于正常模式，统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率PBCi，并计算车载储能单元总输出功率
Figure FDA0003609287780000021
其中n为接入牵引网的车载储能单元数量；进入S2021；
S2021：牵引网实时负荷为Pload，此时车载储能单元功率输出已确定，实时分配牵引网功率输出PN与地面储能单元功率输出PBL，地面储能单元期望输出为PBLq＝(SOCBL-SOCLL)/(SOCHL-SOCLL)*PBLmax,其中SOCBL为地面储能单元荷电状态，SOCHL与SOCLL为地面储能单元限制最高与最低荷电状态，PBLmax为地面储能单元期望最大输出功率；约束牵引网输出功率变化率不能过大，即设定约束条件PNL-ΔP'·ΔT≤PN≤PNL+ΔP'·ΔT,其中PNL为上一时刻牵引网输出功率，ΔP'为牵引网输出最大波动率，ΔT为间隔时间；进入S2022；
S2022：令PN＝Pload-PBC-PBLq，若PN＜PNL-ΔP'·ΔT，则，PN＝PNL-ΔP'·ΔT；若PN＞PNL+ΔP'·ΔT，则PN＝PNL+ΔP'·ΔT；令PBL＝Pload-PBC-PN，完成功率分配；进入S2023；
S2023：通过地面能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；
S203：牵引网处于故障模式，故障供电区间内地面储能系统与车载储能系统组成孤网，为整个孤网内所有列车提供能量，保证列车安全行驶到达最近站点；统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率P′BCi，并计算车载储能单元总输出功率
Figure FDA0003609287780000031
转入S2031；
S2031：牵引网实时负荷为P′load，地面储能单元输出功率为P′BL＝P′load-P′BC，完成功率分配；进入S2032；
S2032：通过能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率输出调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；
S204：若牵引网内有车辆运行，则返回S201；若牵引网处于异常状态且无车辆运行，则结束牵引网运行，进行牵引网供电区间维修。
3.根据权利要求1所述的一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，所述车地分层控制策略包括第二车载储能系统控制策略和第二地面储能系统控制策略，所述第二车载储能系统控制策略控制车载储能单元与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第二地面储能系统控制策略根据牵引网网压波动情况控制地面储能系统功率输出。
4.根据权利要求3所述的一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，所述车地分层控制策略中第二车载储能系统控制策略，包括步骤：
S301：判断列车运行位置，若列车处于过无电区状态，则进入S3011；若列车未处于过无电区状态，则进入S302；
S3011：通过接口单元将车载储能单元与列车牵引系统以及辅助系统连接，维持列车匀速运行并为列车辅助系统供电，此时车载储能系统输出功率PBC＝Pnbsf，其中Pnbsf为列车过无电区时需求功率；转入S303；
S302：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S3021，否则转入S3022；
S3021：牵引网处于正常状态，车载储能单元输出PBC为当前SOC状态下的期望输出PBCq＝(SOCBC-SOCBCq)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCBCq为车载储能单元当前期望荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S303；
S3022：牵引网处于异常状态，车载储能系统与故障供电区间内地面储能系统一起组成孤网系统，为整个孤网内所有列车提供能量，此时列车终点为最近站点；车载储能单元输出P′BC为应急状态中当前SOC约束下的期望输出P′BCq＝(SOCBC-SOCLC)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态，PBCmax为车载储能单元期望最大输出功率；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S303；
S303：判断列车是否到达终点，若到达终点，则结束运行，否则返回S301。
5.根据权利要求3所述的一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，所述车地分层控制策略中第二地面储能控制策略，包括步骤：
S401：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S402；否则转入S403；
S402：牵引网处于正常模式，监测牵引网网压波动情况ΔV；若-V'＜ΔV＜V'，则地面储能单元维持期望功率期望输出P′BDq＝(SOCBD-SOCLD)/(SOCHD-SOCLD)*PBDmax，其中SOCBD为地面储能单元荷电状态，SOCHD与SOCLD为地面储能单元限制最高与最低荷电状态，PBDmax为地面储能单元期望最大输出功率，确保地面储能单元荷电状态平稳；若ΔV＞V'，则通过牵引网为地面储能单元充电，降低牵引网压；若ΔV＜-V'，则控制地面储能单元为牵引网供电，抬升牵引网压；进入S404；
S403：牵引网处于异常模式，故障供电区间内地面储能系统与车载储能系统组成孤网，为整个孤网内所有列车提供能量，地面储能单元提供牵引网所需负荷，保证列车安全行驶到达最近站点；进入S404；
S404：若牵引网内有车辆运行，则返回S401；若牵引网处于异常状态且无车辆运行，则结束牵引网运行，进行牵引网供电区间维修。
6.一种车地一体多功能应急储能供电系统，其特征在于，基于权利要求1-5中任一所述的一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，包括车载储能系统与地面储能系统(3)；
所述车载储能系统包括车载储能装置(11)、列车辅助系统(12)、车载能量管理控制器(13)和列车直流母线(14)，所述车载能量管理控制器(13)通过控制连接车载储能装置(11)、列车辅助系统(12)和列车牵引系统，所述车载储能装置(11)、列车辅助系统(12)和牵引网(22)并列连接至直流母线，所述直流母线(14)通过换流设备连接至列车牵引系统；
所述地面储能系统包括地面储能单元(31)、地面双向DC/DC变流器(32)、单相逆变器(33)、背靠背逆变器(34)、地面能量管理控制器(35)，所述地面储能单元(31)通过地面双向DC/DC变流器(32)连接至单相逆变器(33)或者背靠背逆变器(34)，再通过降压变压器(23)连接至牵引网(22)，实现与牵引网(22)之间的能量传输；所述地面能量管理控制器(35)将控制信号发送给地面双向DC/DC变流器(32)、单相逆变器(33)、背靠背逆变器(34)，实时控制地面储能单元(31)与牵引网(22)之间的能量传输。
7.根据权利要求6所述的一种车地一体多功能应急储能供电系统，其特征在于，所述车载储能装置(11)包括车载储能单元(111)和车载双向DC/DC变流器(112)，车载储能单元(111)通过车载双向DC/DC变流器(112)与直流母线(14)连接，或者通过车载双向DC/DC变流器(112)、逆变器与牵引网(22)交流测变压器(19)连接，在列车启动、爬坡、加速时提供峰值功率，回收再生制动能量；车载双向DC/DC变流器(112)连接车载储能单元(111)与直流母线(14)，车载双向DC/DC变流器(112)与牵引逆变器(181)、牵引网逆变器(182)组成车载接口单元，在列车运行过程中控制车载储能单元(111)的能量传输并监控维持直流母线(14)电压；
所述列车辅助系统(12)包括列车照明系统、控制系统、空调系统、通风系统以及列车应急时氧气循环系统应急救援系统，与直流母线(14)连接，在正常运行时由牵引网(22)为其供电，在应急状态时由车载储能单元(111)为其供电；
所述能量管理控制器(13)接受列车总控传输来的列车实时运行状态与牵引网(22)状态，包括当前线路情况、车速、车载储能单元温度、SOC状态以及牵引网(22)当前运载状态，依据控制策略与列车状态分配车载储能单元(111)输出功率，通过信号传输线(17)实时传输指令信号给列车辅助系统(12)、双向DC/DC变流器(112)以及牵引逆变器(181)，控制车载储能单元功率输出；
所述直流母线(14)分别连接车载储能装置(11)、列车辅助系统(12)和牵引逆变器(181)与牵引网逆变器(182)，保障车载储能系统与牵引系统间的能量传输。
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