CN112009272B - 一种双流制机车储能系统的控制方法及系统 - Google Patents

一种双流制机车储能系统的控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双流制机车储能系统的控制方法及系统，机车进入制动工况或切换工况时，通过牵引电机对超级电容器组的充电来实现再生制动能量的回收，机车进入牵引工况时，通过超级电容器组对直流侧电容的放电来为牵引电机提供牵引能量，大大提高了再生制动能量的利用率，减小了机车供电制式切换下直流侧电容电压的波动。同时，超级电容器组分别以充电电流指令值、放电电流指令值进行充电和放电，对超级电容器组进行充放电保护，避免了过充和过放，既能够提供一定功率输出，又保留有一定的吸收能量空间；将充电电流指令值和放电电流指令值限制在机车所有器件允许承受的范围内，避免了因过大的充放电电流对机车器件的损坏。

Description

一种双流制机车储能系统的控制方法及系统
技术领域
本发明属于双流制机车控制技术领域，尤其涉及一种双流制机车储能系统的控制方法及系统。
背景技术
随着社会经济的发展，轨道交通是解决当前环境污染以及交通拥堵的最好的交通运输方式。轨道交通因其在运输任务和运行区间等方面的差异，存在多种形式以及多种供电电流制式的现状。
目前主要的轨道交通方式包括高速铁路、动车组、重载货运机车、轻轨、地铁车辆、单轨列车以及磁悬浮轨道交通，其中远距离、大功率的干线铁路运输通常采用交流供电制式。而距离相对较短的城市轨道交通，受绝缘尺寸、城市景观等限制，其供电电压等级不能太高，并且城市轨道运输主要侧重于旅客运输，载重和运行速度相对较低，普遍采用功率更低的直流供电制式。一般而言，不同供电制式的轨道交通运行方式是各自独立运行的。目前世界上牵引供电制式包括交流25kV/50Hz、15kV/16.7Hz以及直流3kV、1.5kV和750V。而多流制电力机车能在上述两种或者两种以上供电制式下实现不停车连续运行，不但可以减少换乘站的建立，降低投资成本，并且因乘客无需换乘，能大量减少乘客的换乘时间。
近年来，我国的高铁技术得到了飞速发展，- 随着我国高速铁路、城际铁路和城市轨道交通的稳步发展，三种轨道交通的互通互联问题已经出现。长期以来，由于我国铁路系统与城市轨道交通系统分别归属不同的运营部门，彼此独立运行，所以中国的电力机车均采用独立的供电制式，造成我国在多流制牵引传动系统方面的研究相对滞后。从长远发展考虑，我国必须加快研制具有自主知识产权的高性能多流制牵引传动系统，并需要攻克包括多流制机车供电制式切换时直流侧电容电压波动、机车能量利用率低等一系列关键技术难题。在地铁等轨道交通系统的运营成本中，电费占30％左右，电力消耗巨大。
双流制机车综合了直流供电制式下城轨列车起制动频繁，所产生的再生制动能量较大的特点，这部分再生制动能量约占总电能的15％，具有很大的节能空间与再利用价值。但是，现有双流制机车的这部分再生制动能量大部分都通过制动电阻消耗掉，这不仅造成能量浪费，还引起发热，造成传动系统温度上升，降低了系统的使用寿命。如果将再生制动电能回馈到牵引电网或者将其存储起来再应用于双流制机车，具有很大的商业前景；同时，也有望解决多流制机车供电制式切换时的电压波动问题，提高双流制机车运行的可靠性。
储能装置在国内外的轨道交通领域已有了一定的应用，根据储能装置的类型不同，可以分为蓄电池储能、飞轮储能、超级电容储能和混合储能等几种，而根据储能装置位置的不同可分为地面/置地式和车载式两种。超级电容具有功率密度高、充放电迅速的特点，能够与城轨列车的运行特性相匹配；而且其使用寿命长，后期的维护成本低；安全性和环保性也好。相对于蓄电池和飞轮储能，超级电容储能系统已经开始引入交流铁路牵引列车，并且取得了较为理想的效果。因此对于结合了直流城轨交通和交流铁路交通牵引传动系统的双流制机车来说，目前来这两种应用场合下都取得了不错效果的超级电容是更为合适的储能器件。
双流制机车作为一种既能在直流工况下稳定运行又能在交流工况下稳定运行的机车，其牵引传动系统由两套供电设备组合而成，其拓扑原理图如图1所示，AC表示交流制式牵引网， DC表示直流制式牵引网，标号1表示牵引变压器，标号2表示牵引电机。传统双流制机车交流制式供电主电路如图2所示，主要由受电弓(包括交流、直流供电情况下)、牵引变压器、牵引变流器(包括整流器和牵引逆变器)和牵引电机组成。在交流模式下，电源经网侧高压设备进入牵引变压器的原边，经接地装置由钢轨回流至变电站，牵引变压器副边连接牵引变流器的整流器，流入中间直流回路，再通过牵引逆变器向三相牵引电机供电。
直流模式下，相对交流供电制式所用的设备较少，为提高设备的综合利用率，将牵引变压器的牵引绕组复用为平波电抗器。直流供电下机车的电路图如3所示，主要包括牵引逆变器和牵引电机两部分。在制动工况下时，不将牵引逆变器进行闭锁，控制牵引电机进入再生制动模式，电能通过牵引逆变器回馈至直流回路，通常情况下，这部分制动能量除去小部分为辅助设备供电外，大部分都在制动电阻上消耗。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种双流制机车储能系统的控制方法及系统，以解决双流制机车能量利用率低，供电制式切换时直流侧电容电压波动的问题。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种双流制机车储能系统的控制方法，所述双流制机车的牵引传动系统包括牵引变压器、牵引电机、整流器、电机驱动逆变器以及储能系统；所述牵引变压器的前端与交流制式牵引网连接，牵引逆变器的后端与所述整流器的前端连接，所述整流器的后端与电机驱动逆变器的前端连接，电机驱动逆变器的后端与牵引电机连接；在所述整流器与电机驱动逆变器之间设有直流侧电容，所述直流侧电容的一端与直流制式牵引网连接；所述储能系统包括超级电容器组和双向DC/DC变换器，所述超级电容器组并联于双向DC/DC变换器的输出端，所述双向DC/DC变换器的输入端并联于所述电机驱动逆变器的前端，所述控制方法包括：
机车处于牵引工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第一触发电流值通过电流环 PI调节器得到第一直流侧电容电压指令值；根据所述第一直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压通过电压环PI调节器得到充电电流指令值；
如果电机驱动逆变器前端的电流值大于第一触发电流值、第一直流侧电容电压指令值大于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态SOC大于荷电设定最小值，则超级电容器组通过双向DC/DC变换器以充电电流指令值向直流侧电容放电；否则双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用；
机车处于制动或切换工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第二触发电流值通过电流环PI调节器得到第二直流侧电容电压指令值；根据所述第二直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压通过电压环PI调节器得到放电电流指令值；
如果电机驱动逆变器前端的电流值小于第二触发电流值、第二直流侧电容电压指令值小于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态SOC小于荷电设定最大值，则牵引电机的制动能量通过双向DC/DC变换器以放电电流指令值向超级电容器组充电；否则双向DC/DC 变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用。
本发明所述的双流制机车储能系统的控制方法，机车进入制动工况或切换工况时，通过牵引电机对超级电容器组的充电来实现再生制动能量的回收，机车进入牵引工况时，通过超级电容器组对直流侧电容的放电来为牵引电机提供牵引能量，大大提高了再生制动能量的利用率，减小了机车供电制式切换下直流侧电容电压的波动。同时，超级电容器组分别以充电电流指令值、放电电流指令值进行充电和放电，对超级电容器组进行充放电保护，避免了过充和过放，既能够提供一定功率输出，又保留有一定的吸收能量空间；将充电电流指令值和放电电流指令值限制在机车所有器件允许承受的范围内，避免了因过大的充放电电流对机车器件的损坏。
进一步地，所述超级电容器组是由多个超级电容串联支路并联构成，每个所述超级电容串联支路是由多个超级电容串联构成。
进一步地，牵引工况或制动工况或切换工况的判断依据为：根据所述电机驱动逆变器前端的电流值和制动信号判断机车处于牵引工况还是制动或切换工况，如果所述电机驱动逆变器前端的电流值大于零，则机车处于牵引工况，如果所述电机驱动逆变器前端的电流值小于零，且机车发出制动信号，则机车处于制动工况，如果所述电机驱动逆变器前端的电流值小于零，且机车未发出制动信号，则机车处于切换工况。
进一步地，所述第一触发电流值的取值范围为0.7Iqlim～0.9Iqlim，所述第二触发电流值的取值范围为0.7Izlim～0.9Izlim，其中，Iqlim表示牵引工况下牵引电机实际所需电流，Izlim表示制动工况下牵引电机实际所需电流。
进一步地，如果牵引工况下牵引电机实际所需电流大于所述第一触发电流值，则牵引电机实际所需电流与第一触发电流值之间的差值部分由所述储能系统来提供；如果牵引工况下牵引电机实际所需电流小于所述第一触发电流值，则所述牵引电机实际所需电流由牵引网提供；
如果制动工况下牵引电机实际所需电流小于所述第二触发电流值，则牵引电机实际所需电流与第二触发电流值之间的差值部分由所述储能系统来提供；如果制动工况下牵引电机实际所需电流大于所述第二触发电流值，则所述牵引电机实际所需电流由牵引网提供。
进一步地，所述荷电设定最小值为0.25，所述荷电设定最大值为0.95。
进一步地，所述机车处于切换工况时，采用恒定功率控制方式对所述牵引电机进行控制，具体的控制步骤为：
根据能量守恒定律计算出牵引电机的能量变化量；根据所述能量变化量和牵引电机的转速计算出转矩补偿值；根据所述转矩补偿值对牵引电机的运行状态进行调整，使牵引电机的输出能量与输入能量平衡，实现直流侧电容电压的稳定，保证机车处于较为稳定的工作状态，使机车供电制式平滑切换的同时回收此时的制动能量，进一步减少直流侧电容电压的波动，提高了能量的利用率。
进一步地，所述转矩补偿值的计算表达式为：
Figure GDA0003172274870000041
Figure GDA0003172274870000042
Figure GDA0003172274870000043
Figure GDA0003172274870000044
Figure GDA0003172274870000045
其中，Te2表示牵引电机的转矩补偿值，Wout表示牵引电机的输出能量，Win表示除制动电阻外其余系统吸收的能量，ΔWc1表示直流侧电容吸收能量，ΔWc2表示超级电容器组吸收能量， C1表示直流侧电容的容量，C2表示超级电容器组的容量，u1((n+1)Ts)表示第n+1个采样周期时直流侧电容电压，u1(nTs)表示第n个采样周期时直流侧电容电压，u2((n+1)Ts)表示第 n+1个采样周期时超级电容组电压，u2(nTs)表示第n个采样周期时超级电容组电压，ω表示转子角速度，Ts表示采样周期，表示电磁转矩，uL表示储能系统中电感的电压，iL表示储能系统中电感的电流，Tem(t)表示牵引电机转矩输出值。
本发明还提供一种双流制机车储能系统的控制系统，所述双流制机车的牵引传动系统包括牵引变压器、牵引电机、整流器、电机驱动逆变器以及储能系统；所述牵引变压器的前端与交流制式牵引网连接，牵引逆变器的后端与所述整流器的前端连接，所述整流器的后端与电机驱动逆变器的前端连接，电机驱动逆变器的后端与牵引电机连接；在所述整流器与电机驱动逆变器之间设有直流侧电容，所述直流侧电容的一端与直流制式牵引网连接；所述储能系统包括超级电容器组和双向DC/DC变换器，所述超级电容器组并联于双向DC/DC变换器的输出端，所述双向DC/DC变换器的输入端并联于所述电机驱动逆变器的前端；所述控制系统包括：
检测单元，用于检测电机驱动逆变器前端的电流值，以及检测直流侧电容电压；
第一获取单元，用于机车处于牵引工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第一触发电流值通过电流环PI调节器得到第一直流侧电容电压指令值；根据所述第一直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压通过电压环PI调节器得到充电电流指令值；
第一判断及控制单元，用于判断电机驱动逆变器前端的电流值是否大于第一触发电流值、第一直流侧电容电压指令值是否大于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态SOC是否大于荷电设定最小值，如果是，则控制超级电容器组通过双向DC/DC变换器以充电电流指令值向直流侧电容放电；否则控制双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用；
第二获取单元，用于机车处于制动或切换工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第二触发电流值通过电流环PI调节器得到第二直流侧电容电压指令值；根据所述第二直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压通过电压环PI调节器得到放电电流指令值；
第二判断及控制单元单元，用于判断电机驱动逆变器前端的电流值是否小于第二触发电流值、第二直流侧电容电压指令值是否小于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态 SOC是否小于荷电设定最大值，如果是，则控制牵引电机的制动能量通过双向DC/DC变换器以放电电流指令值向超级电容器组充电；否则控制双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用。
有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种双流制机车储能系统的控制方法及系统，机车进入制动工况或切换工况时，通过牵引电机对超级电容器组的充电来实现再生制动能量的回收，机车进入牵引工况时，通过超级电容器组对直流侧电容的放电来为牵引电机提供牵引能量，大大提高了再生制动能量的利用率，减小了机车供电制式切换下直流侧电容电压的波动。同时，超级电容器组分别以充电电流指令值、放电电流指令值进行充电和放电，对超级电容器组进行充放电保护，避免了过充和过放，既能够提供一定功率输出，又保留有一定的吸收能量空间；将充电电流指令值和放电电流指令值限制在机车所有器件允许承受的范围内，避免了因过大的充放电电流对机车器件的损坏。本发明考虑到车载储能受机车质量体积的制约，从机车自身运行特性出发，结合双流制机车的不同运行工况，针对不同工况提出相应的控制方法，通过控制牵引网对机车的吞吐能量，能够有效地避免了再生失效，改善了机车的运行特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明背景技术中双流制机车牵引传动系统拓扑原理图；
图2是本发明背景技术中双流制机车供电系统电路图；
图3是本发明背景技术中双流制机车直流供电下电路拓扑图；
图4是本发明实施例中一种双流制机车储能系统的控制方法的控制流程图；
图5是本发明实施例中双流制机车的牵引传动系统电气布置图；
图6是本发明实施例中机车速度与牵引电机实际所需电流之间的关系曲线；
图7是本发明实施例中牵引电机转矩控制框图；
其中，1-牵引变压器，2-牵引电机，3-整流器，4-电机驱动逆变器，5-储能系统，AC-交流制式牵引网，DC-直流制式牵引网。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图4所示，本发明所提供的一种双流制机车储能系统的控制方法，如图5所示，双流制机车的牵引传动系统包括牵引变压器1、牵引电机2、整流器3、电机驱动逆变器4以及储能系统5；牵引变压器1的前端与交流制式牵引网AC连接，牵引逆变器1的后端与整流器3 的前端连接，整流器3的后端与电机驱动逆变器4的前端连接，电机驱动逆变器4的后端与牵引电机2连接；在整流器3与电机驱动逆变器4之间设有直流侧电容C1，直流侧电容C1 的一端与直流制式牵引网DC连接；储能系统5包括超级电容器组C2和双向DC/DC变换器，超级电容器组并联于双向DC/DC变换器的输出端，双向DC/DC变换器的输入端并联于电机驱动逆变器4的前端，DC/DC变换器中的开关器件、牵引电机等均由控制器来控制。具体控制方法包括：
1、检测电机驱动逆变器前端的电流值Ia，根据电机驱动逆变器前端的电流值Ia和制动信号判断机车处于牵引工况还是制动或切换工况，如果电机驱动逆变器前端的电流值Ia大于零，则机车处于牵引工况；如果电机驱动逆变器前端的电流值Ia小于零，且机车发出制动信号，则机车处于制动工况；如果电机驱动逆变器前端的电流值Ia小于零，且机车未发出制动信号，则机车处于切换工况。
对电机驱动逆变器前端电流的方向进行检测，规定从牵引网流入牵引电机为正，从牵引电机馈出为负；通过检测直流侧电流方向及机车是否发出制动信号，从而判定机车是处于牵引、制动还是切换工况。
2、当机车处于牵引工况时，电机驱动逆变器前端的电流值Ia与第一触发电流值Iqrel之差ΔIaq通过电流环PI调节器进行调节，得到第一直流侧电容电压指令值U1*；第一直流侧电容电压指令值U1*与直流侧电容电压Udc之差ΔUdcq通过电压环PI调节器进行调节，得到充电电流指令值Ib1。
如果电机驱动逆变器前端的电流值Ia大于第一触发电流值Iqrel、第一直流侧电容电压指令值U1*大于直流侧电容电压Udc、以及超级电容器组的荷电状态SOC大于荷电设定最小值 0.25，则超级电容器组C2通过双向DC/DC变换器以充电电流指令值Ib1向直流侧电容C1放电；否则双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组C2作为备用，即无充放电过程。
3、当机车处于制动或切换工况时，电机驱动逆变器前端的电流值Ia与第二触发电流值Izrel之差ΔIaz通过电流环PI调节器进行调节，得到第二直流侧电容电压指令值U2*；第二直流侧电容电压指令值U2*与直流侧电容电压Udc之差ΔUdcz通过电压环PI调节器进行调节，得到放电电流指令值Ib2。
如果电机驱动逆变器前端的电流值Ia小于第二触发电流值Izrel、第二直流侧电容电压指令值U2*小于直流侧电容电压Udc、以及超级电容器组的荷电状态SOC小于荷电设定最大值0.95，则牵引电机的制动能量通过双向DC/DC变换器以放电电流指令值Ib2向超级电容器组 C2充电；否则双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组C2作为备用，即无充放电过程。
如图6所示，根据机车牵引电机实际所需电流设定相应的触发电流值，触发电流值一般通过机车配置的超级电容组的容量来确定，由于目前机车超级电容组的容量配置需要综合考虑，具体包括机车的运动状态、机车自身特性、牵引网上运行列车数等因素，同时还要考虑增加储能后对机车质量的影响，因此本发明所设计的控制方法主要针对在超级电容组容量确定后，通过在不同工况下设定不同的触发电流值来最优化储能系统的控制方法。
本实施例中，第一触发电流值Iqrel的取值范围为0.7Iqlim～0.9Iqlim，第二触发电流值Izrel的取值范围为0.7Izlim～0.9Izlim，其中，Iqlim表示牵引工况下牵引电机实际所需电流，Izlim表示制动工况下牵引电机实际所需电流。通过调试的方法确定最终的第一触发电流值和第二触发电流值，例如对于第一触发电流值，先设初值为0.7Iqlim，观察能量吞叶曲线，再在取值范围内改变第一触发电流值，能量吞叶曲线最好所对应的值即为最终第一触发电流值。对功率值进行积分得到能量吞叶曲线，功率值又等于电压与电流的乘积。
如图6所示，如果牵引工况下牵引电机实际所需电流Iqlim大于第一触发电流值Iqrel，则牵引电机实际所需电流Iqlim与第一触发电流值Iqrel之间的差值部分由储能系统来提供；如果牵引工况下牵引电机实际所需电流Iqlim小于第一触发电流值Iqrel，则牵引电机实际所需电流 Iqlim由牵引网提供。
如果制动工况下牵引电机实际所需电流Izlim小于第二触发电流值Izrel，则牵引电机实际所需电流Izlim与第二触发电流值Izrel之间的差值部分由储能系统来提供；如果制动工况下牵引电机实际所需电流Izlim大于第二触发电流值Izrel，则牵引电机实际所需电流Izlim由牵引网提供。
4、机车处于切换工况时，采用恒定功率控制方式对牵引电机进行控制，具体的控制步骤为：
4.1根据能量守恒定律计算出牵引电机的能量变化量。
能量变化量ΔW：ΔW＝Wout-Win (1)
Figure GDA0003172274870000081
Figure GDA0003172274870000091
Figure GDA0003172274870000092
Figure GDA0003172274870000093
式(1)～(5)中，Wout表示牵引电机的输出能量，Win表示除制动电阻外其余系统吸收的能量，ΔWc1表示直流侧电容吸收能量，ΔWc2表示超级电容器组吸收能量，C1表示直流侧电容的容量，C2表示超级电容器组的容量，u1((n+1)Ts)表示第n+1个采样周期时直流侧电容电压，u1(nTs)表示第n个采样周期时直流侧电容电压，u2((n+1)Ts)表示第n+1个采样周期时超级电容组电压，u2(nTs)表示第n个采样周期时超级电容组电压，ω表示转子角速度，Ts表示采样周期，uL表示储能系统中电感的电压，iL表示储能系统中电感的电流，Tem(t)表示牵引电机转矩输出值。
4.2根据能量变化量和牵引电机的转速计算出转矩补偿值Te2，具体表达式为：
Figure GDA0003172274870000094
4.3根据转矩补偿值通过控制器对牵引电机的运行状态进行调整，使牵引电机的输出能量与输入能量平衡，实现直流侧电容电压的稳定。
由于交流供电时，牵引网的交流电压通过前段的牵引变压器、整流器等会使得直流侧电容电压稳定在直流供电制式时的电压，即直流侧电容电压稳定在直流供电电压(本实施例中，直流供电电压为3000V)，保证了机车处于较为稳定的工作状态，使机车供电制式平滑切换的同时回收此时的制动能量，进一步减少直流侧电容电压的波动，提高了能量的利用率。
如图7所示，根据转矩补偿值通过控制器进行牵引电机运行状态调整的逻辑框图，根据式(2)和(3)计算出输出能量和输入能量，根据式(1)计算出能量变化量ΔW，即不平衡能量，不平衡能量是需要通过调整牵引电机来为系统增加或减小的能量，将不平衡能量作为转矩控制的补偿数据，结合此时牵引电机的转速，根据式(6)即可得出需要的转矩补偿值，转矩补偿值的加入，将使牵引电机在目前运行状态下进行调整，由于电磁转矩变化相对于转速变化较快，可以看作其在一定的转速下对电磁转矩进行调整，使牵引电机在发电机运行状态时控制其输出能量在给定条件下与输入能量相互平衡，从而达到直流侧电容稳压的目的，保证系统处于较为稳定的工作状态，可以使得机车供电制式平滑切换的同时回收此时的制动能量，减少电压的波动，提高能量的利用率。图7中，ASR表示转速调节器，INV表示电机驱动逆变器，IM表示牵引电机，ωr为电机转速，
Figure GDA0003172274870000101
为电机参考转速，ψs为磁链，
Figure GDA0003172274870000102
为参考磁链，Te *为参考转矩，Te1为经过补偿后的参考电磁转矩，Te为电磁转矩，磁链调节器的输出dT与转矩调节器的输出dψ结合共同控制逆变器开关状态，直接转矩控制技术为现有技术。
本发明的双流制机车储能系统的控制方法，机车进入制动工况或切换工况时，通过牵引电机对超级电容器组的充电来实现再生制动能量的回收，机车进入牵引工况时，通过超级电容器组对直流侧电容的放电来为牵引电机提供牵引能量，大大提高了再生制动能量的利用率，减小了机车供电制式切换下直流侧电容电压的波动。同时，超级电容器组分别以充电电流指令值、放电电流指令值进行充电和放电，对超级电容器组进行充放电保护，避免了过充和过放，既能够提供一定功率输出，又保留有一定的吸收能量空间；将充电电流指令值和放电电流指令值限制在机车所有器件允许承受的范围内，避免了因过大的充放电电流对机车器件的损坏。本发明还提供一种能量平衡控制策略，通过增加或减小供电制式切换时牵引电机的转矩，使其电机回馈能量与储能系统吸收能量平衡，可以使中间直流电容电压在供电制式切换时稳定在给定值附近，避免了过电压的产生。
本发明还提供一种双流制机车储能系统的控制系统，如图5所示，双流制机车的牵引传动系统包括牵引变压器1、牵引电机2、整流器3、电机驱动逆变器4以及储能系统5；牵引变压器1的前端与交流制式牵引网AC连接，牵引逆变器1的后端与整流器3的前端连接，整流器3的后端与电机驱动逆变器4的前端连接，电机驱动逆变器4的后端与牵引电机2连接；在整流器3与电机驱动逆变器4之间设有直流侧电容C1，直流侧电容C1的一端与直流制式牵引网DC连接；储能系统5包括超级电容器组C2和双向DC/DC变换器，超级电容器组并联于双向DC/DC变换器的输出端，双向DC/DC变换器的输入端并联于电机驱动逆变器4的前端；该控制系统包括：
检测单元，用于检测电机驱动逆变器前端的电流值，以及检测直流侧电容电压；
第一获取单元，用于机车处于牵引工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第一触发电流值通过电流环PI调节器得到第一直流侧电容电压指令值；根据第一直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压通过电压环PI调节器得到充电电流指令值；
第一判断及控制单元，用于判断电机驱动逆变器前端的电流值是否大于第一触发电流值、第一直流侧电容电压指令值是否大于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态SOC是否大于荷电设定最小值，如果是，则控制超级电容器组通过双向DC/DC变换器以充电电流指令值向直流侧电容放电；否则控制双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用；
第二获取单元，用于机车处于制动或切换工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第二触发电流值通过电流环PI调节器得到第二直流侧电容电压指令值；根据第二直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压通过电压环PI调节器得到放电电流指令值；
第二判断及控制单元单元，用于判断电机驱动逆变器前端的电流值是否小于第二触发电流值、第二直流侧电容电压指令值是否小于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态 SOC是否小于荷电设定最大值，如果是，则控制牵引电机的制动能量通过双向DC/DC变换器以放电电流指令值向超级电容器组充电；否则控制双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双流制机车储能系统的控制方法，所述双流制机车的牵引传动系统包括牵引变压器、牵引电机、整流器、电机驱动逆变器以及储能系统；所述牵引变压器的前端与交流制式牵引网连接，牵引逆变器的后端与所述整流器的前端连接，所述整流器的后端与电机驱动逆变器的前端连接，电机驱动逆变器的后端与牵引电机连接；在所述整流器与电机驱动逆变器之间设有直流侧电容，所述直流侧电容的一端与直流制式牵引网连接；所述储能系统包括超级电容器组和双向DC/DC变换器，所述超级电容器组并联于双向DC/DC变换器的输出端，所述双向DC/DC变换器的输入端并联于所述电机驱动逆变器的前端，其特征在于，所述控制方法包括：
机车处于牵引工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第一触发电流值通过电流环PI调节器得到第一直流侧电容电压指令值；根据所述第一直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压通过电压环PI调节器得到充电电流指令值；
如果电机驱动逆变器前端的电流值大于第一触发电流值、第一直流侧电容电压指令值大于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态SOC大于荷电设定最小值，则超级电容器组通过双向DC/DC变换器以充电电流指令值向直流侧电容放电；否则双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用；
机车处于制动或切换工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第二触发电流值通过电流环PI调节器得到第二直流侧电容电压指令值；根据所述第二直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压通过电压环PI调节器得到放电电流指令值；
如果电机驱动逆变器前端的电流值小于第二触发电流值、第二直流侧电容电压指令值小于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态SOC小于荷电设定最大值，则牵引电机的制动能量通过双向DC/DC变换器以放电电流指令值向超级电容器组充电；否则双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用。
2.如权利要求1所述的一种双流制机车储能系统的控制方法，其特征在于：所述超级电容器组是由多个超级电容串联支路并联构成，每个所述超级电容串联支路是由多个超级电容串联构成。
3.如权利要求1所述的一种双流制机车储能系统的控制方法，其特征在于：牵引工况或制动工况或切换工况的判断依据为：根据所述电机驱动逆变器前端的电流值和制动信号判断机车处于牵引工况还是制动或切换工况，如果所述电机驱动逆变器前端的电流值大于零，则机车处于牵引工况，如果所述电机驱动逆变器前端的电流值小于零，且机车发出制动信号，则机车处于制动工况，如果所述电机驱动逆变器前端的电流值小于零，且机车未发出制动信号，则机车处于切换工况。
4.如权利要求1所述的一种双流制机车储能系统的控制方法，其特征在于：所述第一触发电流值的取值范围为0.7Iqlim～0.9Iqlim，所述第二触发电流值的取值范围为0.7Izlim～0.9Izlim，其中，Iqlim表示牵引工况下牵引电机实际所需电流，Izlim表示制动工况下牵引电机实际所需电流。
5.如权利要求1所述的一种双流制机车储能系统的控制方法，其特征在于：如果牵引工况下牵引电机实际所需电流大于所述第一触发电流值，则牵引电机实际所需电流与第一触发电流值之间的差值部分由所述储能系统来提供；如果牵引工况下牵引电机实际所需电流小于所述第一触发电流值，则所述牵引电机实际所需电流由牵引网提供；
如果制动工况下牵引电机实际所需电流小于所述第二触发电流值，则牵引电机实际所需电流与第二触发电流值之间的差值部分由所述储能系统来提供；如果制动工况下牵引电机实际所需电流大于所述第二触发电流值，则所述牵引电机实际所需电流由牵引网提供。
6.如权利要求1所述的一种双流制机车储能系统的控制方法，其特征在于：所述荷电设定最小值为0.25，所述荷电设定最大值为0.95。
7.如权利要求1-6中任一项所述的一种双流制机车储能系统的控制方法，其特征在于：所述机车处于切换工况时，采用恒定功率控制方式对所述牵引电机进行控制，具体的控制步骤为：
根据能量守恒定律计算出牵引电机的能量变化量；根据所述能量变化量和牵引电机的转速计算出转矩补偿值；根据所述转矩补偿值对牵引电机的运行状态进行调整，使牵引电机的输出能量与输入能量平衡，实现直流侧电容电压的稳定。
8.如权利要求7所述的一种双流制机车储能系统的控制方法，其特征在于：所述转矩补偿值的计算表达式为：
Figure FDA0003172274860000021
Figure FDA0003172274860000022
Figure FDA0003172274860000023
Figure FDA0003172274860000024
Figure FDA0003172274860000025
其中，Te2表示牵引电机的转矩补偿值，Wout表示牵引电机的输出能量，Win表示除制动电阻外其余系统吸收的能量，ΔWc1表示直流侧电容吸收能量，ΔWc2表示超级电容器组吸收能量，C1表示直流侧电容的容量，C2表示超级电容器组的容量，u1((n+1)Ts)表示第n+1个采样周期时直流侧电容电压，u1(nTs)表示第n个采样周期时直流侧电容电压，u2((n+1)Ts)表示第n+1个采样周期时超级电容组电压，u2(nTs)表示第n个采样周期时超级电容组电压，ω表示转子角速度，Ts表示采样周期，表示电磁转矩，uL表示储能系统中电感的电压，iL表示储能系统中电感的电流，Tem(t)表示牵引电机转矩输出值。
9.一种双流制机车储能系统的控制系统，所述双流制机车的牵引传动系统包括牵引变压器、牵引电机、整流器、电机驱动逆变器以及储能系统；所述牵引变压器的前端与交流制式牵引网连接，牵引逆变器的后端与所述整流器的前端连接，所述整流器的后端与电机驱动逆变器的前端连接，电机驱动逆变器的后端与牵引电机连接；在所述整流器与电机驱动逆变器之间设有直流侧电容，所述直流侧电容的一端与直流制式牵引网连接；所述储能系统包括超级电容器组和双向DC/DC变换器，所述超级电容器组并联于双向DC/DC变换器的输出端，所述双向DC/DC变换器的输入端并联于所述电机驱动逆变器的前端；其特征在于，所述控制系统包括：
检测单元，用于检测电机驱动逆变器前端的电流值，以及检测直流侧电容电压；
第一获取单元，用于机车处于牵引工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第一触发电流值得到第一直流侧电容电压指令值；根据所述第一直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压得到充电电流指令值；
第一判断及控制单元，用于判断电机驱动逆变器前端的电流值是否大于第一触发电流值、第一直流侧电容电压指令值是否大于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态SOC是否大于荷电设定最小值，如果是，则控制超级电容器组通过双向DC/DC变换器以充电电流指令值向直流侧电容放电；否则控制双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用；
第二获取单元，用于机车处于制动或切换工况时，根据电机驱动逆变器前端的电流值与第二触发电流值得到第二直流侧电容电压指令值；根据所述第二直流侧电容电压指令值和直流侧电容电压得到放电电流指令值；
第二判断及控制单元单元，用于判断电机驱动逆变器前端的电流值是否小于第二触发电流值、第二直流侧电容电压指令值是否小于直流侧电容电压、以及超级电容器组的荷电状态SOC是否小于荷电设定最大值，如果是，则控制牵引电机的制动能量通过双向DC/DC变换器以放电电流指令值向超级电容器组充电；否则控制双向DC/DC变换器的开关器件处于关断状态，超级电容器组作为备用。
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TW200950256A (en) * 2008-05-16 2009-12-01 Nat Energy Technology Co Ltd Fault tolerant battery set and activating battery module
CN107042762B (zh) * 2016-11-29 2019-12-31 北京交通大学 一种轨道车辆的车载混合储能系统及其应用
CN106828125A (zh) * 2016-12-30 2017-06-13 湖南大学 永磁电力驱动车辆供电系统及其控制方法
CN107738583A (zh) * 2017-11-02 2018-02-27 株洲田龙铁道电气股份有限公司 一种电力机车无电区移动装置及电力机车
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