一种无接触网供电城轨列车的储能控制方法与流程

[0001]
本发明涉及电力系统储能技术领域，尤其涉及一种无接触网供电城轨列车的储能控制方法。


背景技术：

[0002]
近年来，城轨列车发展迅猛，给人们的出行带来了很大的方便。但是城轨列车频繁的启动与制动状态会导致牵引电压的起伏，不利于列车的安全运行，还会严重影响供电质量。
[0003]
现阶段的城轨列车多采用单源或者双源供电形式。单源供电一般采用受电弓直接通过接触网接触供电，这种单源供电方式需要架设接触网，运营成本较高。除此之外，单源供电还会采用单一电池系统储能，或者单一超级电容系统储能，这两种单源供电方式需要设置充电桩，运营成本较高，而且城轨列车需要站站充电，城轨列车的运行效率较低。
[0004]
双源供电一般采用电池电容混合储能系统供电，双源供电方式同样需要充电桩对城轨列车充电。同时现有的双源供电方案无法合理分配锂电池和超级电容器的储能系统功率，容易出校储能系统的过充过放，缩短储能系统使用寿命，甚至引发储能设备故障，进而危害城轨列车供应的稳定性，安全性。
[0005]
综上所述，提出一种无接触供电城轨列车的混合储能系统的控制方法是非常有必要的。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种无接触网供电城轨列车的储能控制方法，能够发挥了超级电容器和锂电池各自的优势特点，保证在满足输出功率波动限制的同时使超级电容器和锂电池的荷电状态在合理范围内。
[0007]
为实现上述目的，本发明提供了一种无接触网供电城轨列车的储能控制方法，所述储能控制方法包括：
[0008]
控制器获取城轨列车的实时加速度数据、无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率、锂电池最大输出功率、当前的超级电容器荷电状态和当前的锂电池荷电状态；所述无线供电系统、超级电容器和锂电池用于对所述城轨列车的负载供电；所述负载包括辅助负载和牵引负载；
[0009]
所述控制器根据所述实时加速度数据判断当前城轨列车的行驶状态；
[0010]
当当前城轨列车处于牵引状态时,所述控制器获取所述城轨列车的负载的实时目标功率；并判断实时目标功率是否大于无线供电系统最大输出功率；
[0011]
当实时目标功率小于等于无线供电系统最大输出功率时，所述控制器控制所述无线供电系统对所述负载供电，并且，根据所述超级电容器荷电状态确定是否控制所述无线供电系统对超级电容器充电，以及根据所述锂电池荷电状态确定是否控制所述无线供电系统对锂电池充电；
[0012]
当实时目标功率大于无线供电系统最大输出功率时，所述控制器根据所述无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率、锂电池最大输出功率、超级电容器荷电状态、锂电池荷电状态和实时目标功率控制所述无线供电系统对负载供电，或者所述无线供电系统和锂电池共同对负载供电，或者所述无线供电系统和超级电容器共同对负载供电，或者所述无线供电系统、超级电容器和锂电池共同对负载供电。
[0013]
优选的，当当前城轨列车处于制动状态时,所述控制器断开所述无线供电系统和城轨列车的母线的连接；所述控制器获取城轨列车的制动回收功率；根据所述超级电容器荷电状态和锂电池荷电状态确定所述超级电容器吸收所述制动回收功率的吸收速率占比，根据所述吸收速率占比和制动回收功率确定所述超级电容器的超级电容器实际回收功率，并相应的确定所述锂电池的锂电池实际回收功率，用以以所述超级电容器实际回收功率对所述超级电容器充电，以所述锂电池实际回收功率对所述锂电池充电。
[0014]
进一步优选的，所述根据所述超级电容器荷电状态和锂电池荷电状态确定所述超级电容器吸收所述制动回收功率的吸收速率占比，根据所述吸收速率占比和制动回收功率确定所述超级电容器的超级电容器实际回收功率，并相应的确定所述锂电池的锂电池实际回收功率，用以以所述超级电容器实际回收功率对所述超级电容器充电，以所述锂电池实际回收功率对所述锂电池充电具体包括：
[0015]
所述控制器判断超级电容器荷电状态是否大于等于超级电容器第一设定电量比值；
[0016]
当超级电容器荷电状态小于超级电容器第一设定电量比值时,所述控制器确定以所述制动回收功率对所述超级电容器充电；
[0017]
当锂电池荷电状态是否大于等于锂电池第一设定电量比值时,所述控制器根据所述超级电容器荷电状态和锂电池荷电状态确定所述超级电容器吸收所述制动回收功率的吸收速率占比，根据所述吸收速率占比和制动回收功率确定所述超级电容器的超级电容器实际回收功率，并相应的确定所述锂电池的锂电池实际回收功率，用以以所述超级电容器实际回收功率对所述超级电容器充电，以所述锂电池实际回收功率对所述锂电池充电。
[0018]
优选的，当当前城轨列车处于惰行状态时,所述控制器断开所述无线供电系统和所述城轨列车的母线的连接，所述控制器控制所述锂电池对所述辅助负载供电。
[0019]
优选的，所述控制器控制所述无线供电系统对所述负载供电，并且，根据所述超级电容器荷电状态确定是否控制所述无线供电系统对超级电容器充电，以及根据所述锂电池荷电状态确定是否控制所述无线供电系统对锂电池充电具体包括：
[0020]
所述控制器判断超级电容器荷电状态是否大于等于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态是否大于等于锂电池充电阈值；
[0021]
当超级电容器荷电状态小于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态小于锂电池充电阈值时，所述控制器控制所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电，对超级电容器和锂电池充电；
[0022]
当超级电容器荷电状态小于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态大于等于锂电池充电阈值时，所述控制器控制所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电，对超级电容器充电；
[0023]
当超级电容器荷电状态大于等于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态小于锂电
池充电阈值时，所述控制器控制所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电，对锂电池充电；
[0024]
当超级电容器荷电状态大于等于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态大于等于锂电池充电阈值时，所述控制器控制所述无线供电系统以实时目标功率对负载供电。
[0025]
优选的，所述控制器根据所述无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率、锂电池最大输出功率、超级电容器荷电状态、锂电池荷电状态和实时目标功率控制所述无线供电系统对负载供电，或者所述无线供电系统和锂电池共同对负载供电，或者所述无线供电系统和超级电容器共同对负载供电，或者所述无线供电系统、超级电容器和锂电池共同对负载供电具体包括：
[0026]
所述控制器判断超级电容器荷电状态是否大于等于超级电容器第一设定电量比值；
[0027]
当超级电容器荷电状态小于超级电容器第一设定电量比值时，所述控制器判断锂电池荷电状态是否大于等于锂电池第一设定电量比值；
[0028]
当锂电池荷电状态小于锂电池第一设定电量比值时，所述控制器确定所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电。
[0029]
进一步优选的，当锂电池荷电状态大于等于锂电池第一设定电量比值时，所述控制器判断实时目标功率是否大于等于无线供电系统最大输出功率和锂电池最大输出功率的和；
[0030]
当实时目标功率小于无线供电系统最大输出功率和锂电池最大输出功率的和时，所述控制器根据实时目标功率、无线供电系统最大输出功率得到锂电池的第一输出功率；控制所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率，锂电池以第一输出功率共同对负载供电；
[0031]
当实时目标功率大于等于无线供电系统最大输出功率和锂电池最大输出功率的和时，所述控制器输出功率不足提示信息，控制所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率，锂电池以锂电池最大输出功率共同对负载供电。
[0032]
进一步优选的，当超级电容器荷电状态大于等于超级电容器第一设定电量比值时，所述控制器判断锂电池荷电状态是否大于等于锂电池第一设定电量比值；
[0033]
当锂电池荷电状态小于锂电池第一设定电量比值时，所述控制器判断实时目标功率是否大于等于无线供电系统最大输出功率和超级电容器最大输出功率的和；
[0034]
当实时目标功率小于无线供电系统最大输出功率和超级电容器最大输出功率的和时，所述控制器根据所述实时目标功率和无线供电系统最大输出功率得到超级电容器的第二输出功率，控制所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率、超级电容器以第二输出功率共同对负载供电；
[0035]
当实时目标功率大于等于无线供电系统最大输出功率和超级电容器最大输出功率的和时，所述控制器控制所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率，超级电容器以超级电容器最大输出功率共同对负载供电。
[0036]
进一步优选的，当锂电池荷电状态大于等于锂电池第一设定电量比值时，所述控制器判断实时目标功率是否大于等于无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率和锂电池最大输出功率的和；
[0037]
当实时目标功率小于无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率和锂电池最大输出功率的和时，所述控制器根据目标功率、无线供电系统最大输出功率、锂电池最大输出功率得到超级电容器的第三实际输出功率，确定所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率、锂电池以锂电池最大输出功率，超级电容器以第三实际输出功率共同对负载供电；
[0038]
当实时目标功率大于等于无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率和锂电池最大输出功率的和时，所述控制器输出功率不足提示信息，确定所述无线供电系统以无线供电系统最大输出功率、超级电容器以超级电容器最大输出功率，锂电池以锂电池最大输出功率共同对负载供电。
[0039]
本发明实施例提供的无接触网供电城轨列车的储能控制方法，能够有效避免锂电池和超级电容器组成的混合储能系统过充过放，延长使用寿命，充分利用混合储能系统的物理特性，保证在满足输出功率波动限制的同时使超级电容器和锂电池的荷电状态在合理范围内。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例提供的城轨列车的储能系统的结构示意图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的无接触网供电城轨列车的储能控制方法的流程图。
具体实施方式
[0042]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0043]
本发明提供的无接触网供电城轨列车的储能控制方法，能够有效避免锂电池和超级电容器组成的混合储能系统过充过放，延长使用寿命，充分利用混合储能系统的物理特性，保证在满足输出功率波动限制的同时使超级电容器和锂电池的荷电状态在合理范围内。
[0044]
图1为本发明实施例提供的城轨列车的储能系统的结构示意图，锂电池经过变换器与超级电容器并联，并联后与城轨列车的母线连接。无线供电系统、超级电容器和锂电池与城轨列车的母线连接，共同用于对城轨列车的负载供电。
[0045]
其中，负载包括牵引负载和辅助负载，牵引负载可以理解为与城轨列车的牵引相关的负载，辅助负载可以理解为除牵引负载之外，与城轨列车的基础设施相关的负载，例如城轨列车的空调系统，照明系统。
[0046]
变换器优选为双向直流变换器。变换器的输入电压、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。调换变换器的输入端口和输出端口仍然可以完成电压变换功能，能量可以从输入端流向输出端，也可以从输出端流向输入端。
[0047]
图2为本发明实施例提供的无接触网供电城轨列车的储能控制方法的流程图，结合图2对本发明的储能控制方法的步骤进行详述。
[0048]
步骤110，控制器获取城轨列车的实时加速度数据、无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率、锂电池最大输出功率、当前的超级电容器荷电状态和当前的锂电池荷电状态；
[0049]
具体的，无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率和锂电池最大输
出功率为固定设定值，实时加速度数据、当前的超级电容器荷电状态和当前的锂电池荷电状态为控制器实时获取的动态变化值。
[0050]
步骤120，控制器根据实时加速度数据判断当前城轨列车的行驶状态；
[0051]
具体的，行驶状态包括牵引状态、惰行状态和制动状态。
[0052]
步骤130，当当前城轨列车处于牵引状态时,控制器获取城轨列车的负载的实时目标功率；
[0053]
具体的，实时目标功率可以理解为当前城轨列车的负载工作所需功率。
[0054]
步骤131，判断实时目标功率是否大于无线供电系统最大输出功率；
[0055]
当实时目标功率小于等于无线供电系统最大输出功率时，执行步骤132；当实时目标功率大于无线供电系统最大输出功率时，执行步骤133；
[0056]
步骤132，控制器控制无线供电系统对负载供电，并且，根据超级电容器荷电状态确定是否控制无线供电系统对超级电容器充电，以及根据锂电池荷电状态确定是否控制无线供电系统对锂电池充电；
[0057]
具体的，在车辆行驶的过程中，本发明不仅可以通过无线供电系统对城轨列车的负载进行供电，还可以通过无线供电系统对超级电容器和/或锂电池充电。
[0058]
控制器判断超级电容器荷电状态是否大于等于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态是否大于等于锂电池充电阈值。
[0059]
当超级电容器荷电状态小于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态小于锂电池充电阈值时，控制器控制无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电，对超级电容器和锂电池充电。
[0060]
当超级电容器荷电状态小于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态大于等于锂电池充电阈值时，控制器控制无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电，对超级电容器充电。
[0061]
当超级电容器荷电状态大于等于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态小于锂电池充电阈值时，控制器控制无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电，对锂电池充电。
[0062]
当超级电容器荷电状态大于等于超级电容器充电阈值，锂电池荷电状态大于等于锂电池充电阈值时，控制器控制无线供电系统以实时目标功率对负载供电。
[0063]
也就是说，只要超级电容器和锂电池中存在任意一个电荷状态低于自身的充电阈值时，控制器控制无线供电系统以无线供电系统最大输出功率输出,对负载供电，以及对相应的储能系统充电。
[0064]
步骤133，控制器根据无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率、锂电池最大输出功率、超级电容器荷电状态、锂电池荷电状态和实时目标功率控制无线供电系统对负载供电，或者无线供电系统和锂电池共同对负载供电，或者无线供电系统和超级电容器共同对负载供电，或者无线供电系统、超级电容器和锂电池共同对负载供电。
[0065]
具体的，本发明实施例中，将无线供电系统作为城轨列车的第一优选的供电系统，锂电池作为第二优选的供电系统，超级电容器作为备用供电系统。在无线供电系统、超级电容器、锂电池3个供电系统均可以正常供电的情况下，首先比较实时目标功率是否大于无线供电系统最大输出功率，判断无线供电系统是否单独供电；在实时目标功率大于无线供电
系统最大输出功率时，考虑用锂电池进行辅助供电，并且比较实时目标功率是否大于无线供电系统最大输出功率和锂电池最大输出功率的和；在实时目标功率大于无线供电系统最大输出功率和锂电池最大输出功率的和时，考虑在此基础上，用超级电容器进行进一步辅助供电。
[0066]
控制器判断超级电容器荷电状态是否大于等于超级电容器第一设定电量比值。当超级电容器荷电状态小于超级电容器第一设定电量比值时，控制器判断锂电池荷电状态是否大于等于锂电池第一设定电量比值。当锂电池荷电状态小于锂电池第一设定电量比值时，控制器确定无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电。当锂电池荷电状态大于等于锂电池第一设定电量比值时，控制器判断实时目标功率是否大于等于无线供电系统最大输出功率和锂电池最大输出功率的和。当实时目标功率小于无线供电系统最大输出功率和锂电池最大输出功率的和时，控制器根据实时目标功率、无线供电系统最大输出功率得到锂电池的第一输出功率。控制无线供电系统以无线供电系统最大输出功率，锂电池以第一输出功率共同对负载供电。当实时目标功率大于等于无线供电系统最大输出功率和锂电池最大输出功率的和时，控制器输出功率不足提示信息，控制无线供电系统以无线供电系统最大输出功率，锂电池以锂电池最大输出功率共同对负载供电。
[0067]
也就是说，当超级电容器荷电状态小于超级电容器第一设定电量比值，锂电池荷电状态小于锂电池第一设定电量比值时，无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电。当超级电容器荷电状态小于超级电容器第一设定电量比值，锂电池荷电状态大于等于锂电池第一设定电量比值时，根据实时目标功率确定锂电池是否需要以锂电池最大输出功率输出。
[0068]
当超级电容器荷电状态大于等于超级电容器第一设定电量比值时，控制器判断锂电池荷电状态是否大于等于锂电池第一设定电量比值。当锂电池荷电状态小于锂电池第一设定电量比值时，控制器判断实时目标功率是否大于等于无线供电系统最大输出功率和超级电容器最大输出功率的和。当实时目标功率小于无线供电系统最大输出功率和超级电容器最大输出功率的和时，控制器根据实时目标功率和无线供电系统最大输出功率得到超级电容器的第二输出功率，控制无线供电系统以无线供电系统最大输出功率、超级电容器以第二输出功率共同对负载供电。当实时目标功率大于等于无线供电系统最大输出功率和超级电容器最大输出功率的和时，控制器控制无线供电系统以无线供电系统最大输出功率，超级电容器以超级电容器最大输出功率共同对负载供电。当锂电池荷电状态大于等于锂电池第一设定电量比值时，控制器判断实时目标功率是否大于等于无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率和锂电池最大输出功率的和。当实时目标功率小于无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率和锂电池最大输出功率的和时，控制器根据目标功率、无线供电系统最大输出功率、锂电池最大输出功率得到超级电容器的第三实际输出功率，确定无线供电系统以无线供电系统最大输出功率、锂电池以锂电池最大输出功率，超级电容器以第三实际输出功率共同对负载供电。当实时目标功率大于等于无线供电系统最大输出功率、超级电容器最大输出功率和锂电池最大输出功率的和时，控制器输出功率不足提示信息，确定无线供电系统以无线供电系统最大输出功率、超级电容器以超级电容器最大输出功率，锂电池以锂电池最大输出功率共同对负载供电。
[0069]
也就是说，当超级电容器荷电状态大于等于超级电容器第一设定电量比值，锂电
池荷电状态小于锂电池第一设定电量比值时，无线供电系统以无线供电系统最大输出功率对负载供电，根据实时目标功率确定超级电容器是否需要以超级电容器最大输出功率输出。当超级电容器荷电状态大于等于超级电容器第一设定电量比值，锂电池荷电状态大于等于锂电池第一设定电量比值时，根据实时目标功率确定超级电容器是否需要以超级电容器最大输出功率输出，以及锂电池是否需要以锂电池最大输出功率输出。
[0070]
步骤140，当当前城轨列车处于制动状态时,控制器断开无线供电系统和城轨列车的母线的连接；
[0071]
步骤141，控制器获取城轨列车的制动回收功率；
[0072]
具体的，制动回收功率可以理解为城轨列车制动时产生的，可以回收利用的功率。
[0073]
步骤142，根据超级电容器荷电状态和锂电池荷电状态确定超级电容器吸收制动回收功率的吸收速率占比，根据吸收速率占比和制动回收功率确定超级电容器的超级电容器实际回收功率，并相应的确定锂电池的锂电池实际回收功率，用以以超级电容器实际回收功率对超级电容器充电，以锂电池实际回收功率对锂电池充电；
[0074]
具体的，控制器判断超级电容器荷电状态是否大于等于超级电容器第一设定电量比值。当超级电容器荷电状态小于超级电容器第一设定电量比值时,控制器确定以制动回收功率对超级电容器充电。当锂电池荷电状态是否大于等于锂电池第一设定电量比值时,根据超级电容器荷电状态和锂电池荷电状态确定超级电容器吸收制动回收功率的吸收速率占比，根据吸收速率占比和制动回收功率确定超级电容器的超级电容器实际回收功率，并相应的确定锂电池的锂电池实际回收功率，用以以超级电容器实际回收功率对超级电容器充电，以锂电池实际回收功率对锂电池充电。具体计算超级电容器实际回收功率的方法如式1所示。
[0075]
p
uc
＝(1-soc
uc
)/[(1-soc
uc
)+(0.9-soc
li
)]*p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
[0076]
其中，p
uc
为超级电容器实际回收功率，soc
uc
为超级电容器荷电状态，soc
li
为锂电池荷电状态，p为制动回收功率。
[0077]
根据超级电容器和锂电池的物理特性，在本方法中采用超级电容器最大充电后荷电状态为1，锂电池最大充电后荷电状态为0.9进行计算。1-soc
uc
表示超级电容器已使用电量与超级电容器总电量的比值，0.9-soc
li
表示锂电池已使用电量与锂电池总电量的比值。在吸收制动回收功率时，超级电容器和锂电池根据各自的已使用电量与总电量的比值确定各自的吸收速率。(1-soc
uc
)/[(1-soc
uc
)+(0.9-soc
li
)表示超级电容器吸收制动回收功率的吸收速率占比。
[0078]
步骤150，当当前城轨列车处于惰行状态时,控制器断开无线供电系统和城轨列车的母线的连接，控制器控制锂电池对辅助负载供电。
[0079]
具体的，城轨列车处于任何状态，储能系统均对辅助负载进行供电，以保证城轨列车基础设施的正常工作。
[0080]
本发明的无接触网供电城轨列车的储能控制方法，能够有效避免锂电池和超级电容器组成的混合储能系统过充过放，延长使用寿命，充分利用混合储能系统的物理特性，保证在满足输出功率波动限制的同时使超级电容器和锂电池的荷电状态在合理范围内。
[0081]
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬
件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0082]
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0083]
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，并不用于限定本发明的保护范围，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。