一种储能式城轨列车充电功率分配方法及系统与流程

本发明涉及储能式城轨列车充电控制领域，尤其涉及一种储能式城轨列车充电功率分配方法及系统。

背景技术：

以低地板有轨电车为代表的某些新型城市轨道列车通常采用储能式站停供电的方式，即：车站运行区间无接触网供电，列车运行所需电能由车载储能系统通过双向DC-DC变换器升压斩波提供，在停站时每个车站设置的地面供电装置通过站台区域接触网给列车牵引系统(包括牵引子系统与储能装置)、辅助系统及空调系统供电。每个车站通常设置一套地面供电装置，为节省建设成本地面供电装置的功率要尽可能的小，只需满足列车车载储能装置充电、辅助系统及空调系统功率需求即可。然而在列车牵引启动加速出站阶段，在站停区域接触网供电下若列车其他系统功率保持不变时，牵引系统功率会随着启动加速持续上升，导致地面供电装置功率无法同时满足牵引系统、车载储能充电系统、辅助系统及空调系统的功率需求。

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，本发明提供一种通过对列车上各用电系统的功率进行分配和调节，在满足列车牵引系统启动加速和储能系统充电用电需求的前提下，尽可能充分利用地面供电装置的功率，又不会因地面供电装置功率需求过大而造成的建设成本增加，具有可简单、高效的降低列车对地面充电装置的功率需求，从而降低地面充电装置建设成本等优点的储能式城轨列车充电功率分配方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种储能式城轨列车充电功率分配方法，包括如下步骤：

S1.获取地面充电装置的最大允许输出电流限值；

S2.获取列车辅助系统的辅助供电实时电流值；

S3.根据所述最大允许输出电流限值和辅助供电实时电流值计算牵引供电最大电流允许值，所述牵引供电最大电流允许值为可用于为列车牵引系统中牵引逆变器及DC-DC充电机供电输入的最大电流允许值；

S4.计算牵引实时电流值，所述牵引实时电流值为列车牵引系统中牵引电机正常发挥牵引特性所需要的牵引逆变器直流侧输入的实时电流值；

S5.根据所述牵引供电最大电流允许值和牵引实时电流值计算最大充电电流限值，所述最大充电电流限值为可用于为列车牵引系统中储能装置充电的最大充电电流限值；

S6.在所述最大充电电流限值范围内为储能装置充电。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中地面充电装置的最大允许输出电流限值通过读取地面充电装置的信标获取。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2的具体步骤为：通过电流传感器获取列车各辅助系统的实时电流值，计算所述各辅助系统的实时电流值之和，得到所述辅助供电实时电流值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3的具体步骤包括：

S3.1.由所述地面充电装置的最大允许输出电流限值减所述辅助供电实时电流值计算得到牵引供电最大电流允许值的总和；

S3.2.通过所述牵引供电最大电流允许值的总和除以预先获取的列车正常工作的牵引系统数量计算得到可用于为列车每套牵引系统供电的牵引供电最大电流允许值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4的具体步骤包括：

S4.1.获取牵引电机正常执行当前牵引指令的牵引特性参数；

S4.2.根据所述牵引特性参数实时计算牵引实时电流值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S6的具体步骤包括：当所述最大充电电流限值大于等于所述储能装置的预设的充电电流时，以所述预设的充电电流对储能装置进行充电，否则以所述最大充电电流限值对储能装置进行充电。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S6中对储能装置进行充电是指以充电电流按照恒流充电方式进行充电。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S6之前，还包括步骤S6a：判断所述储能系统的电压值是否小于储能系统充满电时的目标电压值，是则执行步骤S6；否则不对储能装置进行充电，或者以所述目标电压值按恒压充电方式对储能装置充电。

一种储能式城轨列车充电功率分配系统，包括：

参数获取模块：用于获取地面充电装置的最大允许输出电流限值，获取列车辅助系统的辅助供电实时电流值；

牵引计算模块：用于计算牵引实时电流值，所述牵引实时电流值为列车牵引系统中牵引电机正常发挥牵引特性所需要的牵引逆变器直流侧输入的实时电流值；

计算模块：根据所述最大允许输出电流限值和辅助供电实时电流值计算牵引供电最大电流允许值，所述牵引供电最大电流允许值为可用于为列车牵引系统中牵引逆变器及DC-DC充电机供电输入的最大电流允许值；根据所述牵引供电最大电流允许值和牵引实时电流值计算最大充电电流限值，所述最大充电电流限值为可用于为列车牵引系统中储能装置充电的最大充电电流限值；

充电控制模块：用于在所述最大充电电流限值范围内为储能装置充电。

作为本发明的进一步改进，所述充电控制模块用于当所述最大充电电流限值大于等于所述储能装置的预设的充电电流时，以所述预设的充电电流对储能装置进行充电，否则以所述最大充电电流限值对储能装置进行充电。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过将地面充电装置提供的电能功率划分为两部分，辅助系统用电功率、牵引系统的用电功率，其中牵引系统的用电功率又划分为牵引电机用电功率和储能装置用电功率，在列车停站过程中，牵引系统的用电功率可全部为储能装置进行充电，在列车启动过程中，优先为牵引电机供电，并随着牵引电机用电需求的增加动态的调整对储能装置的充电功率，既能满足列车在停站过程中对储能装置充电的需求，又能保证列车在启动过程中牵引电机因驱动列车加速对电能的需求，具有简单、高效的优点。

2、本发明通过对电能的分配，即可实现对地面充电装置所提供电能的充分利用，又不会因为列车在停站充电及启动加速过程对电能功率需求大而需要建设更大供电功率的地面充电装置，从而降低地面充电装置的建设成本。

附图说明

图1为本发明储能式城轨列车电路原理示意图。

图2为本发明充电功率分配方法具体实施例流程示意图。

图3为本发明充电功率分配方法具体实施例功率分配调节示意图。

图4为本发明充电功率分配方法具体实施例列车牵引系统电流关系示意图一。

图5为本发明充电功率分配方法具体实施例列车牵引系统电流关系示意图二。

图6为本发明充电功率分配系统结构示意图。

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，本实施例的储能式城轨列车包括多节牵引车，编号为牵引车1至牵引车N，每节牵引车具有一套牵引系统，包括牵引逆变器部分、牵引电机(电机负载)和储能装置。通过DC/AC逆变器为牵引电机供电，同时通过双向DC/DC变换器为储能装置充电，DC/AC逆变器与双向DC/DC变换器通过中间直流电路并联。每节牵引车的牵引系统通过接触网供电的直流输入母线并联，列车的辅助系统并联在通过接触网供电的直流输入母线上。

如图2所示，本实施例的储能式城轨列车充电功率分配方法，包括如下步骤：S1.获取地面充电装置的最大允许输出电流限值I₀；S2.获取列车辅助系统的辅助供电实时电流值I_a；S3.根据所述最大允许输出电流限值I₀和辅助供电实时电流值I_a计算牵引供电最大电流允许值I_max1，所述牵引供电最大电流允许值I_max1为可用于为列车牵引系统中牵引逆变器及DC-DC充电机供电输入的最大电流允许值；S4.计算牵引实时电流值I₃，牵引实时电流值I₃为列车牵引系统中牵引电机正常发挥牵引特性所需要的牵引逆变器直流侧输入的实时电流值；S5.根据所述牵引供电最大电流允许值I_max1和牵引实时电流值I₃计算最大充电电流限值I_max2，所述最大充电电流限值I_max2为可用于为列车牵引系统中储能装置充电的最大充电电流限值；S6.在所述最大充电电流限值I_max2范围内为储能装置充电。

在本实施例中，步骤S1中地面充电装置的最大允许输出电流限值I₀通过读取地面充电装置的信标获取。步骤S2中的辅助供电实时电流值I_a通过电流传感器获取列车各辅助系统(包含空调系统)的实时电流值，计算所述各辅助系统的实时电流值之和，得到所述辅助供电实时电流值。

在本实施例中，步骤S3的具体步骤包括：S3.1.由地面充电装置的最大允许输出电流限值I₀减辅助供电实时电流值I_a计算得到牵引供电最大电流允许值的总和I_max1-all，I_max1-all＝I₀-I_a；S3.2.通过牵引供电最大电流允许值的总和I_max1-all除以预先获取的列车正常工作的牵引系统数量N计算得到可用于为列车每套牵引系统供电的牵引供电最大电流允许值在本实施例中，将地面充电装置所提供的电能优先为辅助系统供电，剩余电能(即牵引供电最大电流允许值的总和I_max1-all)根据列车中正常工作的牵引车(即牵引系统)的数量平均分配，从而确定每台牵引车可用于为牵引系统供电的牵引供电最大电流允许值I_max1。在本实施例中，在列车进站驶入站台供电区停车后，列车从地面供电装置获取电能，且牵引电机仍处于电制动工况时，牵引电机仍输出制动电能，此时，列车能够获得的电能包括地面充电装置的最大允许输出电流限值I₀和牵引电机电制动输出的电流I₄，此时列车所获得的电能只需要分配给列车的辅助系统和储能系统，辅助供电实时电流值I_a，则此时可用于为列车每套牵引系统中储能装置充电的最大充电电流限值列车可在此限值范围内对储能装置进行充电。

当列车在停站过程中，列车停止时牵引电机不需要输出功率，此时该牵引供电最大电流允许值I_max1可全部用于为牵引系统中的储能装置进行充电。当列车出站时，即列车已启动但仍未驶出站台供电区，列车仍然通过地面供电装置获取电能，牵引电机输出功率使列车加速，此时，需要对牵引供电最大电流允许值I_max1进行合理分配，需要同时兼顾列车牵引电机和储能装置对电能的需求。在本实施例中，步骤S4的具体步骤包括：S4.1.获取牵引电机正常执行当前牵引指令的牵引特性参数；S4.2.根据牵引特性参数实时计算牵引实时电流值I₃。在本实施例中，在列车出站过程中，优先为牵引电机提供电能，在保证牵引电机按照牵引控制系统的司控器发出的牵引指令正常输出牵引功率的前提下，将额外的电能提供给储能装置，为储能装置充电。在本实施例中，列车启动过程中可用于为列车牵引系统中储能装置充电的最大充电电流限值I_max2＝I_max1-I₃。

在本实施例中，步骤S6的具体步骤包括：当最大充电电流限值I_max2大于等于储能装置的预设的充电电流时，以预设的充电电流对储能装置进行充电，否则以最大充电电流限值对储能装置进行充电。步骤S6中对储能装置进行充电是指以充电电流按照恒流充电方式进行充电。在本实施例中，预设的充电电流可设置为储能装置的额定充电电流。在本实施例中，在步骤S6之前，还包括步骤S6a：判断储能系统的电压值是否小于储能系统充满电时的目标电压值，是则执行步骤S6；否则不对储能装置进行充电，或者以目标电压值按恒压充电方式对储能装置充电。

如图3所示，对牵引供电最大电流允许值I_max1进行分配，I₃是牵引实时电流值，即列车牵引系统中牵引电机正常发挥牵引特性所需要的牵引逆变器直流侧输入的实时电流值，I_max2是可分配给储能装置的最大充电电流限值，I₂是为储能装置进行充电提供的充电电流值。通过将牵引实时电流值I₃和充电电流值I₂作为电能分配控制的反馈信息，可对牵引供电最大电流允许值I_max1进行实时调整，从而实现对牵引电机的优先供电。

在本实施例中，对牵引供电最大电流允许值I_max1进行分配，为储能装置充电根据最大充电电流限值I_max2，储能装置预设的充电电流以及牵引实时电流值I₃的不同可分为几种情形。预设的充电电流优选为储能装置的额定充电电流。第一种情形如图4所示，此时储能装置的额定充电电流大于等于牵引供电最大电流允许值I_max1，牵引实时电流值I₃大于等于牵引供电最大电流允许值I_max1。则在列车启动前，即如图4中t₀时刻前，牵引实时电流值I₃＝0，则可将牵引供电最大电流允许值I_max1全部分配给储能装置，即牵引供电最大电流允许值I_max1等于最大充电电流限值I_max2。在t₀时刻后，牵引电机根据牵引指令正常发挥牵引力，牵引电机所需要的牵引实时电流值I₃逐渐增加，则可分配给储能装置的最大充电电流限值I_max2相应降低。当到达t₁时刻，将全部电能提供给牵引电机，停止对储能装置进行充电，即牵引实时电流值I₃等于牵引供电最大电流允许值I_max1。直到t₂时刻，列车驶出站台区域，列车不再由地面充电装置供电，由储能装置释放电能，为牵引电机供电。第二种情形如图5所示，此时储能装置的额定充电电流小于牵引供电最大电流允许值I_max1，牵引实时电流值I₃小于牵引供电最大电流允许值I_max1。则在列车启动前，即如图4中t₀时刻前，牵引实时电流值I₃＝0，则可将牵引供电最大电流允许值I_max1全部分配给储能装置，即牵引供电最大电流允许值I_max1等于最大充电电流限值I_max2，由于最大充电电流限值I_max2大于储能装置的额定充电电流I_e，此时对储能装置充电的充电电流值I₂等于额定充电电流I_e。在t₀时刻后，牵引电机根据牵引指令正常发挥牵引力，牵引电机所需要的牵引实时电流值I₃逐渐增加，则可分配给储能装置的最大充电电流限值I_max2相应降低，但仍然大于储能装置的额定充电电流，此时仍以额定充电电流为储能装置充电。在t₁时刻，随着牵引电机对电能需求的增加，需要将更多的电能分配给牵引电机，可分配给储能装置的最大充电电流限值I_max2小于储能装置的额定充电电流，此时，优先为牵引电机供电，对储能装置充电的充电电流值I₂等于最大充电电流限值I_max2。在t₂时刻，牵引电机对电能的需求达到根据牵引指令正常发挥牵引力的最大需求，此时，对牵引电机供电的牵引实时电流值保持为I₃，对储能装置充电的充电电流值I₂等于最大充电电流限值I_max2。直到列车在t₃时刻驶出站台地面充电装置供电区域。在本实施例中，通过变化的充电电流值对储能装置充电，但充电控制方式采用恒流充电控制方式。

如图6所示，本实施例的储能式城轨列车充电功率分配系统，包括：参数获取模块：用于获取地面充电装置的最大允许输出电流限值，获取列车辅助系统的辅助供电实时电流值；牵引计算模块：用于计算牵引实时电流值，牵引实时电流值为列车牵引系统中牵引电机正常发挥牵引特性所需要的牵引逆变器直流侧输入的实时电流值；计算模块：根据最大允许输出电流限值和辅助供电实时电流值计算牵引供电最大电流允许值，牵引供电最大电流允许值为可用于为列车牵引系统中牵引逆变器及DC-DC充电机供电输入的最大电流允许值；根据牵引供电最大电流允许值和牵引实时电流值计算最大充电电流限值，最大充电电流限值为可用于为列车牵引系统中储能装置充电的最大充电电流限值；充电控制模块：用于在最大充电电流限值范围内为储能装置充电。充电控制模块用于当最大充电电流限值大于等于储能装置的预设的充电电流时，以预设的充电电流对储能装置进行充电，否则以最大充电电流限值对储能装置进行充电。

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。