一种机车自适应混合制动控制方法与流程

本发明涉及机车制动控制技术领域，尤其涉及一种机车自适应混合制动控制方法。

背景技术：

实际工程应用中，在同一个机务段经常存在不同车型同时使用的情况，不同车型因为采用技术的不同，因而各自的工作电压波动范围可能不同，如旧式车型通常为17KV～30KV，新式车型则为17KV～31KV。当机车处于制动工况时，目前通常不考虑同一供电区间的车辆编组情况，由机车将制动回馈能量直接回馈至电网，以实现能量的回收。

考虑到变电所容量都是有限设计，回馈能量使得线路网压会被抬升，而当同一供电区间多机车同时处于制动工况时，由于不同车型的工作电压波动范围不同，上述制动控制方式则可能导致线路网压超过机车所允许的工作范围，干扰工作电压波动范围小(如旧式车型)的正常运用，对机车的系统造成损害。即上述制动控制方式，电网能量流动、电网电压变化不可控，无法实现电网能量的灵活调节，不同车型混用时存在制动回馈能量会使得网压提升超过允许范围等风险，不同车型混用的适用性不强。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够基于网压变化自适应实现混合制动控制方式，实现回馈电网能量的控制调节，且实现方法简单、所需成本低、制动控制效率以及实时性高的机车自适应混合制动控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种机车自适应混合制动控制方法，步骤包括：

1)实时监测目标机车所接入电网的电压，当监测到所述电网的电压处于预设电压范围内时，转入执行步骤2)；

2)检测目标机车的实时制动回馈能量，若检测到的所述实时制动回馈能量大于预设允许回馈能量，启动执行混合制动控制，根据当前电网的电压、预设允许回馈能量控制将所述实时制动回馈能量中部分通过制动电阻消耗、其余回馈至电网，直至所述制动回馈能量小于预设允许回馈能量，转入执行步骤3)；

3)将所述实时制动回馈能量均回馈至电网，返回执行步骤1)，直至退出控制。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中启动执行混合制动控制的具体步骤为：

2.1)预先建立电网的电压与最低回馈电网能量系数之间的关系模型，所述最低回馈电网能量系数为允许回馈电网的能量在制动回馈能量中的最低比例系数；

2.2)由当前电网的电压以及建立的所述关系模型，计算当前最低回馈电网能量系数，并根据所述实时制动回馈能量，得到当前允许回馈电网的能量；

2.3)根据所述实时制动回馈能量、当前允许回馈电网的能量，计算制动电阻所需消耗的能量，并根据计算到的制动电阻所需消耗的能量控制接入制动电阻、其余制动回馈能量回馈至电网。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2.1)中关系模型具体为线性关系模型。

作为本发明的进一步改进，所述线性关系模型表示为：

$P_r=\frac{U_{net}-U_{blendstart}}{U_{blendend}-U_{blendstart}}(1-{\mathrm{Percent}}_{blend})$

其中，P_r为最低回馈电网能量系数，U_net为电网的电压，U_blendstart为所述预设电压范围的起始电压，U_blendend为所述预设电压范围的结束电压，Percent_blend为当电网的电压为所述结束电压时所对应的最低回馈电网能量系数。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2.3)中，具体由所述制动能量所需消耗的能量计算斩波脉冲，通过所述斩波脉冲控制斩波开关的通断，以控制接入制动电阻消耗所需的能量。

作为本发明的进一步改进，所述通过PID控制计算制动电阻所需消耗的能量的具体步骤为：由所述实时制动回馈能量作为被控量、当前允许回馈电网的能量作为目标量输入至PID控制器，由PID控制器的输出量得到制动电阻所需消耗的能量。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2.3)中具体通过控制制动斩波开关，以控制接入制动电阻消耗所需的能量。

作为本发明的进一步改进，所述控制斩波开关控制的具体步骤为：

2.3.1)控制开通制动斩波开关以接入制动电阻，并实时监测当前斩波周期内斩波累积开通的能量；

2.3.2)当监测到当前斩波周期内斩波累积开通的能量大于一个斩波周期内所需消耗的能量时，控制关断斩波开关以断开制动电阻，直至下一个斩波周期，返回执行步骤2.3.1)；当所述制动回馈能量小于预设允许回馈能量时，转入执行步骤3)。

作为本发明的进一步改进，所述斩波周期内斩波累积开通的能量具体按下式计算得到；

$\∫W_{chopcyc}={\∫}_0^{Tchop}(I_{chop}*U_d*T_{cyc})$

其中，T_cyc为斩波控制单周期运行时间，I_chop为斩波电流，U_d为中间回路支撑电容电压，W_chopcyc＝I_chop*U_d*T_cyc为折算至单周期内斩波消耗的能量。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1)中预设电压范围具体根据目标机车所处供电区间内各机车的允许工作范围设定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明机车自适应混合制动控制方法，在基于制动能量回馈的制动控制方式基础上，考虑同一供电区间内的不同车辆编组状况，充分利用机车自带的制动电阻，在网压、制动回馈能量超过允许范围内时由制动电阻消耗部分回馈能量、其余回馈电网，实现基于网压、制动回馈能量变化的混合制动控制，能够自适应控制调节机车的回馈电网能量，使得同一供电区间内可以混用不同车型，且不会产生回馈能量超过各机车所允许工作范围的状况；

2)本发明机车自适应混合制动控制方法，通过实时监测目标机车所接入电网的电压以及机车的实时制动回馈能量，能够自动识别风险，以在制动回馈能量大于机车允许回馈能量时，及时启动执行混合制动控制，根据电网的电压、允许回馈能量控制由制动电阻消耗部分回馈能量，实现回馈电网能量的调节，避免抬升电网电压，能够在车辆和变电所允许的情况，同时尽可能的将制动能量回馈电网，提高经济性，达到节能减排的目的；

3)本发明机车自适应混合制动控制方法，进一步通过PID控制计算制动电阻所需消耗的能量，由PID闭环控制能够实时根据制动回馈能量调节制动电阻所需消耗的能量，且控制实现精度高，从而能够实现回馈电网能量的精确控制调节；

4)本发明机车自适应混合制动控制方法，进一步通过斩波控制消耗所需的能量，能够实现机车回馈电网能量可控，从而可以实现电网能量流动、电网电压的控制调节。

附图说明

图1是本实施例机车自适应混合制动控制方法的实现流程示意图。

图2是本实施例所设定的混合制动曲线示意图。

图3是本实施例设定混合制动激活的实现流程示意图。

图4是本实施例通过斩波控制调节制动回馈能量的实现流程示意图。

图5是本实施例所产生的斩波脉冲的波形示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例机车自适应混合制动控制方法，步骤包括：

1)实时监测目标机车所接入电网的电压，当监测到电网的电压处于预设电压范围内时，转入执行步骤2)；

2)检测目标机车的实时制动回馈能量，若检测到的实时制动回馈能量大于预设允许回馈能量，启动执行混合制动控制，根据当前电网的电压、预设允许回馈能量控制将实时制动回馈能量中部分通过制动电阻消耗、其余回馈至电网，直至制动回馈能量小于预设允许回馈能量，转入执行步骤3)；

3)将实时制动回馈能量均回馈至电网，返回执行步骤1)，直至退出控制。

本实施例在基于制动能量回馈的制动控制方式基础上，考虑同一供电区间内的不同车辆编组状况，充分利用机车自带的制动电阻，在网压、制动回馈能量超过允许范围内由制动电阻消耗部分回馈能量、其余回馈电网，实现基于网压、制动回馈能量变化的混合制动控制，能够自适应控制调节机车的回馈电网能量，使得同一供电区间内可以混用不同车型，且不会产生回馈能量超过各机车所允许工作范围的状况。

本实施例通过实时监测目标机车所接入电网的电压以及机车的实时制动回馈能量，能够自动识别风险，以在制动回馈能量大于机车允许回馈能量时，及时启动执行混合制动控制，根据电网的电压、允许回馈能量控制由制动电阻消耗部分回馈能量，实现回馈电网能量的调节，避免抬升电网电压，能够在车辆和变电所允许的情况，同时尽可能的将制动能量回馈电网，提高经济性，达到节能减排的目的。

本实施例中，步骤1)中预设电压范围具体根据目标机车所处区间内各机车的允许工作范围设定。本实施例具体根据目标供电区间中线路运用、供电系统以及需要混合使用的机车类型的状态，设定电压范围用于启动混合制动控制，电压范围的设置包括设置电压起始值以及电压终止值，当监测到电网的电压处于预设电压范围时，表明当前网压超出所允许的电压范围，则转入执行步骤2)进一步监测机车制动回馈能量，以确定是否需要启动混合制动控制。

本实施例中，步骤2)中启动执行混合制动控制的具体步骤为：

2.1)预先建立电网的电压与最低回馈电网能量系数之间的关系模型，最低回馈电网能量系数为允许回馈电网的能量在制动回馈能量中的最低比例系数；

2.2)由当前电网的电压以及建立的关系模型，计算当前最低回馈电网能量系数，并根据实时制动回馈能量，得到当前允许回馈电网的能量；

2.3)根据实时制动回馈能量、当前允许回馈电网的能量，计算制动电阻所需消耗的能量，并根据计算到的制动电阻所需消耗的能量控制接入制动电阻、其余制动回馈能量回馈至电网。

本实施例中，步骤2.1)中关系模型具体为线性关系模型，即最低回馈电网能量系数是基于电网电压的大小线性变化，当电网电压增加时，相应的线性增加最低回馈电网能量系数，以根据电网电压变化自适应调整所需回馈电网的能量。

本实施例中，线性关系模型表示为：

$P_r=\frac{U_{net}-U_{blendstart}}{U_{blendend}-U_{blendstart}}(1-{\mathrm{Percent}}_{blend})---\left(1\right)$

其中，P_r为最低回馈电网能量系数，U_net为电网的电压，U_blendstart为预设电压范围的起始电压，U_blendend为预设电压范围的结束电压，Percent_blend为当电网的电压为结束电压时所对应的最低回馈电网能量系数，其中U_blendend>U_blendstart。由P_r以及实时制动回馈能量即可确定得到当前允许回馈电网的能量P_need。以应用于最高电压30KV的车辆中时为例，本实施例具体将U_blendstart设为29kV、U_blendend设为30KV，以及Percent_blend设为5％。

如图2所示，本实施例线性关系模型为线性曲线，其中最低回馈电网能量系数为P_r时，制动电阻所需消耗的能量系数对应为1-P_r。首先设定当电网的电压为结束电压时所对应的最低回馈电网能量系数Percent_blend，基于Percent_blend以及U_blendend-U_blendstart(△U_blend)得到如图所示最低回馈电网能量系数曲线，由该系数曲线即可基于实时网压确定最低允许回馈电网的能量，当电网的电压为结束电压时制动电阻所需消耗的能量系数对应为1-Percent_blend，得到如图所示最低制动电阻消耗能量系数曲线，由最低回馈电网能量系数曲线、最低制动电阻消耗能量系数曲线即得到混合制动设定曲线，用于后续执行混合制动控制。

如图3所示，本实施例首先基于制动功率、电网电压大小设定上述混合制动设定曲线，机车制动工况时，通过传感器采集实时制动回馈能量P_realback，由上述混合制动设定曲线中P_r以及采集到的实时制动回馈能量P_realback得到当前允许回馈电网的能量P_need，当实时制动回馈能量P_realback大于当前允许回馈电网的能量P_need，车辆激活混合制动模式，制动电阻投入工作，部分回馈能量通过制动电阻消耗；混合制动执行过程中，当实时制动回馈能量P_realback小于等于当前允许回馈电网的能量P_need时，车辆自动退出混合制动模式，制动电阻切除，将制动能量全部回馈电网。

本实施例步骤2.3)中，具体根据实时制动回馈能量、当前允许回馈电网的能量，通过PID控制计算制动电阻所需消耗的能量。通过PID闭环控制计算制动电阻所需消耗的能量，能够实时根据制动回馈能量调节制动电阻所需消耗的能量，且控制实现精度高，从而能够实现回馈电网能量的精确控制调节。

本实施例中，通过PID控制计算制动电阻所需消耗的能量的具体步骤为：由实时制动回馈能量作为被控量、当前允许回馈电网的能量作为目标量输入至PID控制器，由PID控制器的输出量得到制动电阻所需消耗的能量。

采用PID控制的方式计算出制动电阻所需消耗的能量P_chop的具体表达式为：

P_error＝P_realback-P_need (2)

P_chop＝K_pP_error+K_i∫P_error+K_d(P_error-P_error-1) (3)

其中，P_realback为实时制动回馈能量，P_need为当前允许回馈电网的能量，P_error-1为前次控制所得到的P_error。

本实施例中，步骤2.3)中具体通过计算斩波所需消耗的能量，由斩波所需消耗的能量计算输出斩波脉冲，控制斩波开关的通断，以控制接入制动电阻消耗所需的能量。如图4所示，本实施例激活混合制动控制模式时，具体通过PID控制计算斩波所需消耗的能量，由斩波所需消耗的能量计算输出斩波脉冲至IGBT，控制斩波开关的通断，实现制动回馈能量的调节。相比于传统的如带宽开通方式实现斩波控制时只根据中间电压控制斩波动作，本实施例通过斩波控制消耗所需的能量，能够实现机车回馈电网能量可控，从而可以实现电网能量流动、电网电压的控制调节。

本实施例中，控制斩波开关控制的具体步骤为：

2.3.1)控制开通制动斩波开关以接入制动电阻，并实时监测当前斩波周期内斩波累积开通的能量；

2.3.2)当监测到当前斩波周期内斩波累积开通的能量大于一个斩波周期内所需消耗的能量时，控制关断斩波开关以断开制动电阻，直至下一个斩波周期，返回执行步骤2.3.1)；当所述制动回馈能量小于预设允许回馈能量时，转入执行步骤3)。

本实施例中，斩波周期内斩波累积开通的能量具体按下式计算得到；

$\∫W_{chopcyc}={\∫}_0^{Tchop}(I_{chop}*U_d*T_{cyc})---\left(4\right)$

其中，T_cyc为斩波控制单周期运行时间，I_chop为斩波电流，U_d为制动系统中的中间回路支撑电容电压，W_chopcyc＝I_chop*U_d*T_cyc为折算至单周期内斩波消耗的能量。

取斩波开关周期为T_chop，则在周期T内需要斩波消耗的能量W_chopneed＝P_chop*T_chop；斩波开通时，实时采集斩波电流I_chop、中间回路支撑电容电压U_d，由式(4)即可得到当前斩波开关周期内斩波累积开通的能量∫W_chopcyc，实时判断累积开通的能量∫W_chopcyc是否大于斩波消耗的能量W_chopneed，如果是则关断斩波开关，得到的斩波脉冲如图5所示。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。