CN113263920B - 电气化铁路车载混合式储能系统及其能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电气化铁路车载混合式储能系统及其能量管理方法，设计了一种放置于电力机车上的大容量高功率超级电容‑钛酸锂混合储能系统，该系统包括直流馈线、直流母线、双向DC/DC变换器、超级电容储能单元、钛酸锂电池储能单元，该系统与电力机车四象限整流器与PWM逆变器之间的直流母线连接，实现不同功率下的再生制动能量吸收，同时该车载混合式储能系统可以在区域性接触网永久性故障、变电所失电等应急情况下向车内输出再生能量维持基本电力需求，在一定程度上解决了电气化铁路地面式储能系统能量传输损耗大，供电灵活性较低，在接触网故障情况下难以向电力机车供电的不足之处，提升再生制动能量的利用效率。

Description

电气化铁路车载混合式储能系统及其能量管理方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路储能技术领域，尤其涉及一种电气化铁路车载混合式储能系统及能量管理方法。

背景技术

随着路网规模的持续扩大，铁路电气化率的持续升高，庞大的电力机车保有量带来了巨大的电力能量消耗，因此如何有效节能减耗，实现能源精细化管理，降低电气化铁路能耗成本具有现实的重要意义。当电力机车在坡道区段下坡行驶时，列车通常采取再生制动策略，手柄级位归零，列车的势能与动能通过工作在发电机状态下的牵引电机以电能的方式返送回接触网，而这部分再生能量目前有三种消耗方式：1)机车采用制动电阻将再生制动能量以热能的形式消耗；2)再生制动能量通过接触网传输给同一供电臂上的其他车辆进行消耗；3)返送回电力系统，这部分能量通常采取不计或正计。方法1与方法3没有有效利用再生制动能量，造成能量流失，而方法2对行车规划的要求高，在实际操作中再生制动能量的利用效率很低。

为缓解再生制动能量利用率低的问题，专利《一种电气化铁路储能式牵引供电系统及其控制方法》(公开号：CN110829435A)公开了一种地面式储能方案，该系统能有效提升电能质量，但其储能介质单一，未考虑多储能介质的协同配合，难以同时兼顾能量密度与功率密度；专利《一种牵引负荷削峰填谷的储能控制方法》(公开号：CN109149611A)公开了一种地面式储能系统结构，能实现再生制动能量的回收，但再生制动能量的传输需要经过接触网，由于接触网阻抗的存在会造成传输损耗，同时在接触网故障情况下难以向电力机车供电，存在一定局限性；专利《一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法》(公开号：CN111864774A)公开了一种适用于同相供电的混合储能系统，有一定削峰填谷的效果，但电路结构较为简单，仅设置2个充放电基准值，对混合储能系统的控制较为粗糙，缺乏在列车不同工况下各储能系统的定量输出，未考虑与列车与接触网能量的协同配合问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种电气化铁路车载混合式储能系统及能量管理方法，解决了电气化车载式混合式储能系统结构设计和超级电容-钛酸锂电池混合储能系统能量管理方法等问题。

本发明提出了电气化铁路车载混合式储能系统及其能量管理方法，其特征在于，包括两组直流馈线、两组双向半桥型DC/DC变换器、一组超级电容串并联储能单元、一组钛酸锂电池串并联储能单元、电压互感器、电流互感器；车载式混合储能系统分别从电力机车四象限整流器与PWM逆变器之间引出两组直流馈线，两组直流馈线与直流母线直接相连，两组直流母线分别引出左右两臂，各连接一组双向半桥型DC/DC变换器，两组双向半桥型DC/DC变换器经过平波电感后分别连接超级电容串并联储能单元、钛酸锂电池串并联储能单元，电压互感器与电流互感器用于实时监测机车功率，电气化铁路车载混合式储能系统结构如附图图1所示。

所述的电气化铁路车载混合式储能系统适用于采用交-直-交供电结构的电力机车，且交流-直流整流环节采用四象限整流方式，直流-交流环节采用脉冲宽度调制逆变方式。

所述的电气化铁路车载混合式储能系统的能量管理方法，包括以下步骤：

步骤1：基于超级电容储能单元最大能馈功率P_{sc_max}与钛酸锂电池储能单元最大能馈功率P_{b_max}，在储能系统能馈工况下设定三个功率阈值，P_{set_1}为第一能馈阈值，大小等于混合储能系统最大能馈功率，P_{set_2}为第二能馈阈值，大小等于超级电容储能单元最大能馈功率，P_{set_3}为第三能馈阈值，大小为钛酸锂电池储能单元最大能馈功率，系统能馈功率阈值的设定如下：

P_{set_1}＝P_{sc_max}+P_{b_max}

P_{set_2}＝P_{sc_max}

P_{set_3}＝P_{b_max}

步骤2：基于超级电容储能单元最大储能功率P′_{sc_max}与钛酸锂电池储能单元最大储能功率P′_{b_max}，在储能系统储能工况下设定两个功率阈值，P′_{set_1}为第一储能阈值，大小等于混合储能系统最大储能功率，P′_{set_2}为第二储能阈值，大小等于超级电容储能单元最大储能功率，系统充电功率阈值的设定如下：

P′_{set_1}＝P′_{sc_max}+P′_{b_max}

P′_{set_2}＝P′_{sc_max}

步骤3：基于电压互感器与电流互感器的实时测量数据，划分系统工作模式，各符号变量解释如表1所示，具体如下：

表1符号解释表

A：若机车测量功率大于零，电力机车处于牵引工况，机车牵引功率P_qy等于测量功率P_train，储能系统处于能馈工况，进行再生制动能量的释放；

a1)若机车牵引功率P_qy大于第一能馈阈值P_{set_1}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元与钛酸锂电池储能单元以最大能馈功率放电，并从接触网取能补充功率缺额，判据与功率输出如下：

a2)若机车牵引功率P_qy小于等于第一能馈阈值P_{set_1}，大于第二能馈阈值P_{set_2}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以最大功率放电，钛酸锂电池储能单元放电补充功率缺额，判据与功率输出如下：

a3)若机车牵引功率P_qy小于等于第二能馈阈值P_{set_2}，大于第三能馈阈值P_{set_3}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以机车牵引功率放电，判据与功率输出如下：

a4)若机车牵引功率P_qy小于等于第三能馈阈值P_{set_3}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使钛酸锂电池储能单元以机车牵引功率放电，判据与功率输出如下：

a5)在任意列车牵引工况下，若超级电容储能单元电荷状态SOC_sc小于等于下阈值SOC_{sc_min}，但钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元停止功率输出，钛酸锂电池储能单元以机车牵引功率或最大输出功率进行放电，判据与功率输出如下：

a6)在任意列车牵引工况下，若钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b小于等于下阈值SOC_{b_min}，但超级电容储能单元电荷状态SOC_sc在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使钛酸锂电池储能单元停止功率输出，超级电容储能单元以机车牵引功率或最大输出功率进行放电，判据与功率输出如下：

a7)在任意列车牵引工况下，若各储能单元荷电状态SOC均小于等于下阈值SOC_min，测控单元控制DC/DC变换器使储能系统停止放电，电力机车牵引能量完全来自接触网，判据与功率输出如下：

综上所述，储能系统在机车牵引工况下的工作流程如图2所示。

B：若机车测量功率小于零，电力机车处于再生制动工况，机车再生制动功率P_zd等于测量功率P_train的绝对值，储能系统处于储能工况，进行再生制动能量的吸收；

b1)若机车再生制动功率P_zd大于第一储能阈值P_s′_{et_1}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元与钛酸锂电池储能单元以最大储能功率吸收电能，多余能量需返送接触网，判据与功率输出如下：

b2)若机车再生制动功率P_zd大于第二储能阈值P′_{set_2}，小于等于第一储能阈值P′_{set_1}，且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以最大功率吸收电能，钛酸锂电池储能单元吸收多余再生制动能量，判据与功率输出如下：

b3)若机车再生制动功率P_zd小于等于第二储能阈值P′_{set_2}且大于0,各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以机车再生制动功率吸收电能，判据与功率输出如下：

b4)在任意列车再生制动工况下，若钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b大于等于上阈值SOC_{b_max}，但超级电容储能单元电荷状态SOC_sc在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使钛酸锂电池储能单元停止吸收再生制动能量，超级电容储能单元以机车再生制动功率或最大储能功率进行储能，判据与功率输出如下：

b5)在任意列车再生制动工况下，若超级电容储能单元电荷状态SOC_sc大于等于上阈值SOC_{sc_max}，但钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元停止吸收再生制动能量，钛酸锂电池储能单元以机车再生制动功率或最大储能功率进行储能，判据与功率输出如下：

b6)在任意列车再生制动工况下，若各储能单元荷电状态SOC均大于等于上阈值SOC_max，则储能系统工作在空闲工况，测控单元控制DC/DC变换器使储能系统停止储能，电力机车再生制动能量完全返送接触网，判据与功率输出如下：

综上所述，储能系统在机车再生制动工况下的工作流程如图3所示。

C：若机车测量功率等于零，电力机车处于惰行工况，储能系统工作在空闲工况，储能系统以及接触网没有功率输出。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.提出了电气化铁路车载混合式储能系统结构，可在现有电力机车上加设一节储能车厢并连接到机车交-直整流电路即可使用，具有改造成本低，技术难度低的优点。

2.超级电容-钛酸锂电池混合储能系统相较于单一超级电容储能系统，其储能容量大幅度提升，削峰填谷的效果更好，经济性更佳，应用场景更广泛。

3.车载混合式储能系统可在牵引网故障情况下实现向车内供电，满足车内基本用电需求，并能通过增大容量的方式实现机车的应急自走，提升运行安全性。

4.提出的能量管理方法能适用于双储能介质混合储能系统，实现两种储能介质在不同工作场景下的协同配合，发挥各介质的物理特性优势，降低使用寿命损耗。

附图说明

图1为车载混合式储能系统结构。

图2为储能系统在机车牵引工况下的能量管理流程图。

图3为储能系统在机车再生制动工况下的能量管理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本发明公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

以图1所示车载混合储能系统为案例，在各情况下的能量输出情况如下：

1)机车运行在牵引工况下，牵引功率大于第一能馈阈值，且各储能介质荷电状态在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

2)机车运行在牵引工况下，牵引功率小于等于第一能馈阈值，大于第二能馈阈值且各储能介质荷电状态在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

3)机车运行在牵引工况下，牵引功率小于等于第二能馈阈值，大于第三能馈阈值且各储能介质荷电状态在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

4)机车运行在牵引工况下，牵引功率小于等于第三能馈阈值，大于0且各储能介质荷电状态在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

5)机车运行在牵引工况下，超级电容储能单元电荷状态SOC_b小于等于下阈值SOC_{sc_min}，钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

6)机车运行在牵引工况下，钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b小于等于下阈值SOC_{b_min}，超级电容储能单元电荷状态SOC_sc在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

7)机车运行在牵引工况下，超级电容储能单元及钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC均小于等于下阈值SOC_min，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

8)机车运行在再生制动工况下，再生制动功率大于第一储能阈值，且各储能介质荷电状态在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

9)机车运行在再生制动工况下，再生制动功率小于等于第一储能阈值，大于第二储能阈值且各储能介质荷电状态在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

10)机车运行在再生制动工况下，再生制动功率小于等于第二储能阈值，大于0且各储能介质荷电状态在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

11)机车运行在再生制动工况下，钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b大于等于上阈值SOC_{b_max}，超级电容储能单元电荷状态SOC_sc在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

12)机车运行在再生制动工况下，超级电容储能单元电荷状态SOC_sc大于等于上阈值SOC_{sc_max}，钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

13)机车运行在再生制动工况下，超级电容储能单元及钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC均大于等于上阈值SOC_max，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

14)机车运行在惰行工况下，测控单元控制DC/DC变换器使功率输出为：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电气化铁路车载混合式储能系统，其特征在于，包括两组直流馈线、两组双向半桥型DC/DC变换器、一组超级电容串并联储能单元、一组钛酸锂电池串并联储能单元、电压互感器、电流互感器；车载式混合储能系统分别从电力机车四象限整流器与PWM逆变器之间引出两组直流馈线，两组直流馈线与直流母线直接相连，两组直流母线分别引出左右两臂，各连接一组双向半桥型DC/DC变换器，两组双向半桥型DC/DC变换器经过平波电感后分别连接超级电容串并联储能单元、钛酸锂电池串并联储能单元，电压互感器与电流互感器用于实时监测机车功率；

所述的电气化铁路车载混合式储能系统其特征在于，电力机车侧采用交-直-交基本供电结构；交流-直流整流环节采用四象限整流方式，直流-交流环节采用脉冲宽度调制逆变方式；

所述的电气化铁路车载混合式储能系统的能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于超级电容储能单元最大能馈功率P_{sc_max}与钛酸锂电池储能单元最大能馈功率P_{b_max}，在储能系统能馈工况下设定三个功率阈值，P_{set_1}为第一能馈阈值，大小等于混合储能系统最大能馈功率，P_{set_2}为第二能馈阈值，大小等于超级电容储能单元最大能馈功率，P_{set_3}为第三能馈阈值，大小为钛酸锂电池储能单元最大能馈功率；

步骤2：基于超级电容储能单元最大储能功率P′_{sc_max}与钛酸锂电池储能单元最大储能功率P′_{b_max}，在储能系统储能工况下设定两个功率阈值，P′_{set_1}为第一储能阈值，大小等于混合储能系统最大储能功率，P_s′_{et_2}为第二储能阈值，大小等于超级电容储能单元最大储能功率；

步骤3：基于电压互感器与电流互感器的实时测量数据，划分系统工作模式，具体如下：

A：若机车测量功率大于零，电力机车处于牵引工况，机车牵引功率P_qy等于测量功率P_train，储能系统处于能馈工况，进行再生制动能量的释放；

a1)若机车牵引功率P_qy大于第一能馈阈值P_{set_1}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元与钛酸锂电池储能单元以最大能馈功率放电，并从接触网取能补充功率缺额，判据与功率输出如下：

a2)若机车牵引功率P_qy小于等于第一能馈阈值P_{set_1}，大于第二能馈阈值P_{set_2}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以最大功率放电，钛酸锂电池储能单元放电补充功率缺额，判据与功率输出如下：

a3)若机车牵引功率P_qy小于等于第二能馈阈值P_{set_2}，大于第三能馈阈值P_{set_3}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以机车牵引功率放电，判据与功率输出如下：

a4)若机车牵引功率P_qy小于等于第三能馈阈值P_{set_3}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使钛酸锂电池储能单元以机车牵引功率放电，判据与功率输出如下：

a5)在任意列车牵引工况下，若超级电容储能单元电荷状态SOC_sc小于等于下阈值SOC_{sc_min}，但钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元停止功率输出，钛酸锂电池储能单元以机车牵引功率或最大输出功率进行放电，判据与功率输出如下：

a6)在任意列车牵引工况下，若钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b小于等于下阈值SOC_{b_min}，但超级电容储能单元电荷状态SOC_sc在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使钛酸锂电池储能单元停止功率输出，超级电容储能单元以机车牵引功率或最大输出功率进行放电，判据与功率输出如下：

a7)在任意列车牵引工况下，若各储能单元荷电状态SOC均小于等于下阈值SOC_min，测控单元控制DC/DC变换器使储能系统停止放电，电力机车牵引能量完全来自接触网，判据与功率输出如下：

B：若机车测量功率小于零，电力机车处于再生制动工况，机车再生制动功率P_zd等于测量功率P_train的绝对值，储能系统处于储能工况，进行再生制动能量的吸收；

b1)若机车再生制动功率P_zd大于第一储能阈值P_s′_{et_1}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元与钛酸锂电池储能单元以最大储能功率吸收电能，多余能量需返送接触网，判据与功率输出如下：

b2)若机车再生制动功率P_zd大于第二储能阈值P′_{set_2}，小于等于第一储能阈值P′_{set_1}，且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以最大功率吸收电能，钛酸锂电池储能单元吸收多余再生制动能量，判据与功率输出如下：

b3)若机车再生制动功率P_zd小于等于第二储能阈值P′_{set_2}且大于0,各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以机车再生制动功率吸收电能，判据与功率输出如下：

b4)在任意列车再生制动工况下，若钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b大于等于上阈值SOC_{b_max}，但超级电容储能单元电荷状态SOC_sc在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使钛酸锂电池储能单元停止吸收再生制动能量，超级电容储能单元以机车再生制动功率或最大储能功率进行储能，判据与功率输出如下：

b5)在任意列车再生制动工况下，若超级电容储能单元电荷状态SOC_sc大于等于上阈值SOC_{sc_max}，但钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元停止吸收再生制动能量，钛酸锂电池储能单元以机车再生制动功率或最大储能功率进行储能，判据与功率输出如下：

b6)在任意列车再生制动工况下，若各储能单元荷电状态SOC均大于等于上阈值SOC_max，则储能系统工作在空闲工况，测控单元控制DC/DC变换器使储能系统停止储能，电力机车再生制动能量完全返送接触网，判据与功率输出如下：

C：若机车测量功率等于零，电力机车处于惰行工况，储能系统工作在空闲工况，储能系统以及接触网没有功率输出。

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