电气化铁路车载-地面混合式储能系统及能量管理方法

1.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-地面混合式储能系统及能量管理方法。


背景技术：

2.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。对于储能介质，其功率密度与能量密度往往是一个相互对立的物理性质。在混合型储能系统中通常采取基于固定阈值的能量管理办法，对于功率输出较大的储能介质会快速深度放电，并造成其soc快速降到阈值之下而停止工作，而频繁的大功率深度放电会使得存在电池记忆效应的储能介质寿命减短。
3.为提升再生制动能量利用率及治理电气化铁路电能质量问题，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，该方案通过储能系统搭配潮流控制器实现储能及三相不对称度的治理，但储能介质单一，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《一种高速铁路储能系统及其控制方法》(公开号：cn108429276a)公开了一种基于v/x牵引变压器结构的地面式储能系统，实现从接触线-钢轨间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，但其能量管理策略较为粗糙，仅设置2个充放电基准值，未考虑储能介质电荷状态(soc)对充放电功率的影响，在工程中会导致使用寿命下降，不利于系统的经济性运行。


技术实现要素：

4.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-地面混合式储能系统及能量管理方法，解决了以下四个技术问题：
5.1.车载-地面混合储能系统结构组成设计；
6.2.混合储能系统能量管理方法；
7.3.降低再生制动能量在牵引网中的传输损耗；
8.4.在牵引供电系统故障情况下向机车应急供电。
9.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
10.本发明提出了一种电气化铁路车载-地面混合式储能系统及能量管理方法，特征在于，包括车载式高功率储能系统和地面式大容量储能系统；车载式高功率储能系统包括直流馈线、直流母线、双向dc/dc变换器、高功率储能单元；车载式高功率储能系统分别从电力机车交-直整流电路的直流侧引出两组直流馈线，两组直流馈线与车内直流母线相连，再引出左右两臂各连接一组双向dc/dc变换器，两组dc/dc变换器各连接一套储能单元；地面式大容量储能系统包括单相降压变压器、铁路功率调节器、直流馈线、直流母线、双向dc/dc变换器、大容量储能单元；地面式大容量储能系统分别从牵引变电所左右两臂的接触线(t线)与钢轨(r线)引出两组馈线，分别与单相降压变压器相连，两降压变压器的出线与铁路功率调节器(rpc装置)相连，并从铁路功率调节器的交直整流电路的直流侧引出一组馈线，与地面直流母线相连，并从直流母线分别引出左右两臂，各连接一组双向dc/dc变换器，再各自连接一套储能单元。两套储能系统通过同一供电臂的接触线与钢轨相连，电气化铁路车载-地面混合式储能系统结构如图1所示。
11.所述的电气化铁路车载-地面混合式储能系统结构，其特征在于，所述电力机车侧采用交-直-交基本供电结构，其中交流-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；牵引供电系统采用单相交流工频供电制式。
12.所述的电气化铁路车载-地面混合式储能系统的工况划分，其特征在于，基于电力机车上所放置的电压互感器、电流互感器，以负荷功率正负为判据，将列车工作模式分为：1)牵引工况，机车从牵引网取能，将电能转换为列车的动能与势能，牵引功率p
qy
等于测量功率p
train
；2)再生制动工况，将动能与势能转换为电能，机车再生制动功率p
zd
等于测量功率p
train
的绝对值；3)惰行工况，机车的动能与势能的相互转换，不涉及电能的交换；同时将车载-地面混合式储能系统工作状态划分为：1)能馈工况，储能系统释放再生制动能量供电力机车使用；2)储能工况，储能系统吸电力机车的再生制动能量；3)空闲工况，储能系统处于待机状态，不涉及能量的输入与输出。
13.表1符号解释表
14.符号名称符号意义soc
s,1
车载储能系统电荷状态soc
s,2
地面储能系统电荷状态soc
s,1_min
车载储能系统电荷状态下阈值soc
s,2_min
地面储能系统电荷状态下阈值soc
s,1_max
车载储能系统电荷状态上阈值soc
s,2_max
地面储能系统电荷状态上阈值η
s,1
车载储能系统soc自适应权重η
s,2
地面储能系统soc自适应权重p
qy
电力机车牵引功率p
zd
电力机车再生制动功率p
s，1
车载储能系统能馈功率p
s,2
地面储能系统能馈功率p
′
s，1
车载储能系统储能功率p
′
s,2
地面储能系统储能功率
p
s，1_max
车载储能系统最大能馈功率p
s,2_max
地面储能系统最大能馈功率p
′
s，1_max
车载储能系统最大储能功率p
′
s,2_max
地面储能系统最大储能功率p
jcw
机车从接触网取能功率p
′
jcw
再生制动能量接触网返送功率
15.各符号解释如表1所示，所述电气化铁路车载-地面混合式储能系统工作模式划分原则及各工作模式下的能量管理方法为：
16.a：基于机车的实时测量功率，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；
17.a1)若机车牵引功率p
qy
大于车载-地面混合式储能系统最大能馈功率，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变换器使车载储能系统与地面储能系统以最大能馈功率放电，同时从接触网取能补充功率缺额，判据与功率输出如下：
[0018][0019]
a2)若机车牵引功率p
qy
小于等于车载-地面混合式储能系统最大能馈功率，且各储能单元荷电状态soc在工作范围内，则系统会计算车载储能系统soc自适应权重与地面储能系统soc自适应权重，即：
[0020][0021]
计算得到各储能系统soc自适应权重后，牵引功率与各储能系统soc自适应权重的乘积小于等于各储能系统的最大能馈功率，此时测控单元控制dc/dc变换器使车载储能系统与地面储能系统进行再生制动能量输出，功率大小等于牵引功率与各储能系统soc自适应权重的乘积，判据与功率输出如下：
[0022][0023]
a3)若机车牵引功率p
qy
小于等于车载-地面混合式储能系统最大能馈功率，牵引功率与车载储能系统soc自适应权重的乘积大于车载储能系统最大输出功率，牵引功率与地
面储能系统soc自适应权重的乘积小于等于地面储能系统最大输出功率，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变换器使车载储能系统以最大能馈功率进行输出，地面储能系统补充牵引功率缺额，判据与功率输出如下：
[0024][0025]
a4)若机车牵引功率p
qy
小于等于车载-地面混合式储能系统最大能馈功率，牵引功率与车载储能系统soc自适应权重的乘积小于等于车载储能系统最大输出功率，牵引功率与地面储能系统soc自适应权重的乘积大于地面储能系统最大输出功率，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变换器使地面储能系统以最大能馈功率进行输出，车载储能系统补充牵引功率缺额，判据与功率输出如下：
[0026][0027]
a5)在任意列车牵引工况下，若车载储能系统电荷状态小于等于下阈值，地面储能系统电荷状态在工作范围内，则测控单元控制dc/dc变换器使车载储能系统停止能馈，地面储能系统以列车牵引功率大小或最大能馈功率进行输出，判据与功率输出如下：
[0028][0029]
a6)在任意列车牵引工况下，若地面储能系统电荷状态小于等于下阈值，车载储能系统电荷状态在工作范围内，则测控单元控制dc/dc变换器使地面储能系统停止能馈，车载储能系统以列车牵引功率大小或最大能馈功率进行输出，判据与功率输出如下：
[0030]
[0031]
a7)在任意列车牵引工况下，若各储能系统电荷状态均小于等于下阈值，则测控单元控制dc/dc变换器使各储能系统停止功率输出，储能系统工作在空闲状态，牵引能量完全取自接触网，判据与功率输出如下：
[0032][0033]
综上所述，电气化铁路车载-地面混合式储能系统在机车牵引工况下的能量管理流程如图2所示。
[0034]
b：基于机车的实时测量功率，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；
[0035]
b1)若机车再生制动功率p
zd
大于车载-地面混合式储能系统最大储能功率，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变换器使车载储能系统与地面储能系统以最大储能功率吸收再生制动能量，多余再生制动能量从接触网返送电力系统，判据与功率输出如下：
[0036][0037]
b2)若机车再生制动功率p
zd
小于等于车载-地面混合式储能系统最大储能功率，且各储能单元荷电状态soc在工作范围内，系统会计算车载储能系统soc自适应权重与地面储能系统soc自适应权重，即：
[0038][0039]
计算得到各储能系统soc自适应权重后，若列车再生制动功率与各储能系统soc自适应权重的乘积小于等于各储能系统的最大储能功率，此时测控单元控制dc/dc变换器使车载储能系统与地面储能系统进行储能，功率大小等于再生制动功率与各储能系统soc自适应权重的乘积，判据与功率输出如下：
[0040][0041]
b3)若机车再生制动功率p
zd
小于等于车载-地面混合式储能系统最大储能功率，再生制动功率与车载储能系统soc自适应权重的乘积大于车载储能系统最大储能功率，再生制动功率与地面储能系统soc自适应权重的乘积小于等于地面储能系统最大储能功率，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变换器使车载储能系统以最大储能功率吸收再生制动能量，多余再生制动能量由地面储能系统吸收，判据与功率输出如下：
[0042][0043]
b4)若机车再生制动功率p
zd
小于等于车载-地面混合式储能系统最大储能功率，再生制动功率与车载储能系统soc自适应权重的乘积小于等于车载储能系统最大储能功率，再生制动功率与地面储能系统soc自适应权重的乘积大于地面储能系统最大储能功率，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变换器使地面储能系统以最大储能功率吸收再生制动能量，多余再生制动能量由车载储能系统吸收，判据与功率输出如下：
[0044][0045]
b5)在任意列车再生制动工况下，若车载储能系统电荷状态大于等于上阈值，地面储能系统电荷状态在工作范围内，则测控单元控制dc/dc变换器使车载储能系统停止储能，地面储能系统以列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：
[0046][0047]
b6)在任意列车再生制动工况下，若车载储能系统电荷状态小于上阈值，地面储能系统电荷状态大于等于上阈值，则测控单元控制dc/dc变换器使地面储能系统停止储能，车载储能系统以列车再生制动功率大小或最大储能功率进行储能，判据与功率输出如下：
[0048][0049]
b7)在任意列车再生制动工况下，若各储能系统电荷状态均大于等于上阈值，则测控单元控制dc/dc变换器使各储能系统停止储能，储能系统工作在空闲状态，再生制动能量全部由接触网返送电网，判据与功率输出如下：
[0050][0051]
综上所述，车载-地面混合式储能系统在机车再生制动工况下的能量管理流程如图3所示。
[0052]
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，判据与功率输出如下：
[0053][0054]
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：
[0055]
1.提出soc自适应能量管理方法能适用于混合储能系统，通过soc电荷状态实时调整各储能系统的功率输出，降低储能介质的放电倍率，延长储能介质寿命。
[0056]
2.车载-地面混合式储能系统兼备较高的比能量与比功率，储能容量相比于单一超级电容储能系统大幅增加，再生制动能量利用效率较高，经济性较好。
[0057]
3.车载-地面混合式储能系统能降低部分能量在传输中的损耗，同时车载-地面混合式储能系统可在牵引网故障情况通过车载储能设备向车内供电，满足车内基本用电需求。
附图说明
[0058]
图1为电气化铁路车载-地面混合式储能系统结构示意图。
[0059]
图2为车载-地面混合式储能系统在机车牵引工况下的能量管理流程图。
[0060]
图3为车载-地面混合式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
[0061]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0062]
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。
[0063]
以图1所示电气化铁路车载-地面混合式储能系统结构为案例，在列车各工况下的能量输出情况如下：
[0064]
1)机车运行在牵引工况下，牵引功率p
qy
大于车载-地面混合式储能系统最大能馈功率，且各储能系统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：
[0065][0066]
2)机车运行在牵引工况下，牵引功率小于等于车载-地面混合式储能系统最大能馈功率，牵引功率与各储能系统soc自适应权重的乘积小于等于各储能系统的最大能馈功率，且各储能系统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：
[0067][0068]
3)机车运行在牵引工况下，牵引功率小于等于车载-地面混合式储能系统最大能馈功率，牵引功率与车载储能系统soc自适应权重的乘积大于车载储能系统最大输出功率，牵引功率与地面储能系统soc自适应权重的乘积小于等于地面储能系统最大输出功率，且各储能系统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：
[0069][0070]
4)机车运行在牵引工况下，牵引功率小于等于车载-地面混合式储能系统最大能馈功率，牵引功率与车载储能系统soc自适应权重的乘积小于等于车载储能系统最大输出功率，牵引功率与地面储能系统soc自适应权重的乘积大于地面储能系统最大输出功率，且各储能系统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：
[0071][0072]
5)机车运行在牵引工况下，车载储能系统电荷状态小于等于下阈值，地面储能系
统电荷状态在工作范围内，测控单元控制dc/dc变换器使功率输出为：
[0073][0074]
6)机车运行在牵引工况下，地面储能系统电荷状态小于等于下阈值，车载储能系统电荷状态在工作范围内，测控单元控制dc/dc变换器使功率输出为：
[0075][0076]
7)机车运行在牵引工况下，车载储能系统电荷状态及地面储能系统电荷状态均小于等于下阈值soc
min
，测控单元控制dc/dc变换器使功率输出为：
[0077][0078]
8)机车运行在再生制动工况下，再生制动功率大于大于车载-地面混合式储能系统最大储能功率，且各储能系统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：
[0079][0080]
9)机车运行在再生制动工况下，再生制动功率小于等于车载-地面混合式储能系统最大储能功率，列车再生制动功率与各储能系统soc自适应权重的乘积小于等于各储能系统的最大储能功率且各储能系统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：
[0081][0082]
10)机车运行在再生制动工况下，再生制动功率小于等于车载-地面混合式储能系统最大储能功率，再生制动功率与车载储能系统soc自适应权重的乘积大于车载储能系统最大储能功率，再生制动功率与地面储能系统soc自适应权重的乘积小于等于地面储能系统最大储能功率，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变换器使功率输出为：
[0083][0084]
11)机车运行在再生制动工况下，再生制动功率小于等于车载-地面混合式储能系统最大储能功率，再生制动功率与车载储能系统soc自适应权重的乘积小于等于车载储能系统最大储能功率，再生制动功率与地面储能系统soc自适应权重的乘积大于地面储能系
统最大储能功率，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变换器使功率输出为：
[0085][0086]
12)机车运行在再生制动工况下，车载储能系统电荷状态大于等于上阈值，地面储能系统电荷状态在工作范围内，测控单元控制dc/dc变换器使功率输出为：
[0087][0088]
13)机车运行在再生制动工况下，车载储能系统电荷状态小于上阈值，地面储能系统电荷状态大于等于上阈值，测控单元控制dc/dc变换器使功率输出为：
[0089][0090]
14)机车运行在再生制动工况下，车载储能系统及地面储能系统电荷状态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：
[0091][0092]
15)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：
[0093][0094]
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。
[0095]
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。