一种轨道车辆模块化混合辅助能源系统及其控制方法

1.本发明涉及电气化轨道交通牵引传动系统，特别涉及一种轨道车辆模块化混合辅助能源系统及其控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国城市化进程的推进，私家车保有量逐年稳步上升，在大中城市造成了交通拥堵、环境污染等问题。电气化轨道交通系统作为一种公共交通方式，有着运量大，准点率高的优点。此外，由于电力轨道车辆由电驱动，不会分散排放尾气，在有着较高的运输排放比的同时也对环境更加友好，是应对全球能源危机，助力“碳达峰”“碳中和”的环保通勤方式。
3.在我国，电气化轨道交通系统可以分为以和谐号动车组、复兴号动车组为代表的高速铁路系统及以有轨电车、地铁、轻轨等为代表的城市轨道交通系统。近年来，随着居民在城际间频繁通勤的需求增长，城际轨道交通也在全国各个城市发展普及。这些不同的轨道交通系统都有着相似的电气结构：牵引变电站将中高压公用电网的三相交流电通过劈相、降压、整流等可选步骤变换成相应制式的牵引电压，通过接触线或第三轨为轨道车辆供电。
4.牵引变电站大多采用单向电能变换器件，且再生制动产生的电流波形正弦度差，无法满足将其直接回馈到公共电网上的电能质量要求。因此在轨道车辆运行过程中，再生制动所产生的能量将通过牵引逆变器和车载整流器回馈到传输线上，为运行于同一供电区段的其他车辆提供牵引能量。然而，当所属供电区段没有处于牵引状态的车辆时，能量的回馈将会使牵引网的电压抬升，造成安全隐患。因此，大部分回馈能量将通过泄放电阻以热能的形式耗散。这种现象在城市轨道交通系统频繁启停的工作场景下尤为突出，造成了大量的能源浪费。另外，值得注意的是，轨道车辆在不同乘员的运行工况下功率消耗也不同。为满足其最大运量的需求，轨道电力牵引基础设施容量需按照最大电流需求配置，这显然增加了轨道基础设施建设成本。
5.如今在工业实践和学术研究中有许多轨道交通系统储能方案，可以分为地面式和车载式。地面式储能系统一般安装在轨道沿线，拥有功率密度能量密度高的优点，但是其需要占用沿线土地面积，这在建筑密集的城市场景难以实现。而且，这种方案无法在无电区为轨道车辆供能，也无法降低传输线最大电流达到节省轨道基础设施建设成本的目的。车载式储能系统的优势在于其运行场景更加灵活，提供车辆在供电线路短暂故障时的故障穿越能力，在无电区段的运行能力以及在紧急状态下应急拖动的能力，从而实现车辆无电穿越隧道等难以铺设供电线路的场所，降低轨道交通基础设施建设成本，提高停电时的车辆脱困能力，增加车辆运行的安全性。此外，对于高速铁路枢纽站，多车辆同时发车易引起接触网低频谐振，采用储能系统驱动出站可杜绝此事故的发生。但是，目前车载储能系统的研发大多站在研发一种带有储能系统的整车上面，存在着研发周期长，资金规模大等缺点，目前仍有大量轨道车辆处于其运营周期的前期阶段，更换车辆将投入大量成本。
6.不同的储能介质特性也有所不同：超级电容在充放电中不发生化学反应，有着很高的功率密度但只有较低的能量密度；电池组则有较高的能量密度但受限于最大充电电流的限制无法提供较高的功率密度；化石燃料与发电机的组合兼顾了功率和能量密度但长时间运行对环境不友好；氢燃料电池有着高功率能量密度、零排放的优点，但其成本高昂限制了其大规模应用。如何结合各储能介质的优点，实现控制多种储能介质高效协同工作，成为目前车载储能的研究重点。
7.现代电气化轨道车辆大多采用“交流-直流-交流”或“直流-交流”的电能变换拓扑，中间直流环节的通用性为本发明的广泛实施提供了条件。将中间直流环节作为轨道车辆多种能源的交换枢纽，与本发明提出的车载混合辅助能源系统相连接。从车辆牵引传动系统的角度来看，所提出的车载混合辅助能源系统配合上相应的控制方法增加了中间直流环节支撑电容的容值，可以实现在不改变车辆原有牵引传动系统的条件下进行多种能源、多种场景的综合驱动应用。可拓展性强，可以对现有车辆进行模块化升级，具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

8.本发明提供一种轨道车辆模块化混合辅助能源系统及其控制方法，基于模块化思想，提供能量接口以及信息接口，可以加装在所有具有中间直流环节的电气化轨道车辆牵引传动系统上。
9.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种轨道车辆模块化混合辅助能源系统，包括：混合储能介质、储能变换器组、能源管理系统、电气传感器、车辆运行监控系统和控制器；
11.所述混合储能介质包括多种不同的储能介质，每种储能介质对应一个储能变换器，所有储能介质通过各自的储能变换器交错并联于牵引传动系统中间直流环节；
12.所述能源管理系统用于：收集各储能介质的物理信息并计算各储能介质的工作状态；
13.所述电气传感器用于：实时采集牵引传动系统中间直流环节的电压与电流值；
14.所述控制器用于：从电气传感器获取牵引传动系统中间直流环节的电压与电流值，从能源管理系统获取各储能介质的工作状态，通过车辆运行监控系统从轨道车辆牵引控制系统获取车辆的运行状态，并根据获取的数据计算和输出pwm控制信号，以及将pwm控制信号作用于各储能变换器。
15.进一步的，所述混合储能介质包括储能电池组和超级电容矩阵，储能电池组和超级电容矩阵的工作状态均是指其荷电状态soc。
16.进一步的，所述混合储能介质还包括燃料类储能介质，所述燃料类储能介质可以为发电机组、燃料电池和飞轮这几种储能介质中的任意一种或多种；燃料类储能介质的工作状态是指由燃料剩余能量换算得到的等效soc，且换算规则为：燃料剩余量能量q
rest
高于最低燃料剩余能量约束q
lim
且车辆处于应急牵引状态时，燃料类储能介质的等效soc为1，否则燃料类储能介质的等效soc为0。
17.进一步的，所述车辆运行监控系统与轨道车辆牵引控制系统之间的通信方式可以为以下任意一种或多种：通过光纤、网线、wi-fi和zigbee。
18.进一步的，所述储能变换器为直流双向变换器，在电路结构上可以为双向buck-boost型、双向半桥型、双向cuk型、双向sepic型的隔离或非隔离电路。
19.一种轨道车辆模块化混合辅助能源系统的控制方法，应用于轨道车辆模块化混合辅助能源系统的控制器，包括以下步骤：
20.s1，根据能源管理系统发送的数据，判断各储能介质的当前工作状态；
21.s2，根据电气传感器和车辆运行监控系统发送的数据，判断车辆的当前运行状态；
22.s3，综合各储能介质的当前工作状态和车辆的当前运行状态，控制各储能变换器，进而控制各储能介质之间以及各储能介质分别与牵引传动系统中间直流环节之间的能量转换。
23.进一步的，所述混合储能介质包括储能电池组和超级电容矩阵这两种电类储能介质，还包括燃料类储能介质，
24.所述能源管理系统发送的数据，即各储能介质的工作状态，是指电类储能介质的soc和燃料类储能介质由燃料剩余能量换算得到的等效soc。
25.进一步的，步骤s2具体为：根据车辆速度判断车辆处于运行状态或停车状态，根据车辆所处的速度区间判断车辆是否处于启动状态，根据牵引网电压判断车辆处于有牵引网状态或无牵引网状态，根据牵引传动系统中间直流环节的电流判断车辆处于牵引网状态、制动状态或惰性状态。
26.进一步的，步骤s3具体为：
27.当列车处于有牵引网停车状态时，控制各电储能介质对应的储能变换器，使牵引传动系统中间直流环节以稳定的最大限制充电电流为电储能介质充电，直至电储能介质的soc达到最大约束；
28.当列车处于无牵引网停车状态时，控制各电储能介质对应的储能变换器，使具有能量密度更大的电储能介质将能量向具有功率密度更大的电储能介质转移，直至功率密度更大的电储能介质的soc达到其最大约束；
29.当列车处于有牵引网启动状态时，控制各电储能介质对应的储能变换器，使电储能介质以最大限制放电电流向牵引传动系统中间直流环节放电；
30.当列车处于应急牵引状态时，即无牵引网运行状态时，按步骤s2所述设定燃料储能介质的等效soc，进入运行控制环节；
31.当列车处于有牵引网正常运行状态时，即有牵引网非启动运行状态时，进入运行控制环节；
32.所述运行控制环节为：监测中间直流环节的实时电压值u
dc
，判断实时电压值u
dc
是否超出预设容许范围[u
dc_low
,u
dc_high
]；若u
dc
＜u
dc_low
，则控制储能变换器组使混合辅助能源系统向中间直流环节放电，从而抬高实时电压值u
dc
；若u
dc
＞u
dc_high
，则控制储能变换器组使中间直流环节向混合辅助能源系统充电，从而降低实时电压值u
dc
。
[0033]
进一步的，运行控制环节的控制方法为：
[0034]
(1)计算实时电压值u
dc
相对于预设容许范围的电压偏差值δu，根据确定充放电状况指示值m：
[0035][0036][0037]
式中，m＝1代表中间直流环节向混合辅助能源系统充电，m＝-1代表混合辅助能源系统向中间直流环节放电，m＝0代表混合辅助能源系统不动作；
[0038]
(2)利用低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器将电压偏差值δu分频为低频电压偏差δu
dcl
、中频电压偏差值δu
dcm
、高频电压偏差值δu
dch
；
[0039]
(3)将分频后的各电压偏差值进行pi环节计算，得到对应的低频电流偏差值δi
dcl
、中频电流偏差值δi
dcm
和高频电流偏差值δi
dch
；
[0040]
(4)根据各分频的电流偏差值、各储能介质的soc和充放电状况指示值m，对各电储能介质的充放电电流限制，得到各电储能介质的充放电电流大小给定值i
out
：
[0041]
①
m＝1且soc
me
≤soc
me_highlim
，则
[0042]
②
m＝-1且soc
me
≥soc
me_lowlim
，则
[0043]
③
m＝1且soc
me
＞soc
me_highlim
或m＝-1且soc
me
＜soc
me_lowlim
或m＝0，则i
out
＝0。
[0044]
其中，soc
me
为电储能介质的soc，soc
me_highlim
和soc
me_lowlim
分别为soc
me
的上下限，i
mchar_me
和i
mdis_me
分别为电储能介质的最大充电电流和最大放电电流；
[0045]
(5)将充放电电流大小给定值与充放电状况指示值得到充放电电流调制值m，通过脉冲宽度调制技术得到储能变换器的触发脉冲，即作用于储能变换器上的pwm控制信号。
[0046]
本发明具有以下有益效果：
[0047]
1、可以安装在任何具有中间直流环节的轨道车辆上，通过能量接口和信息接口，在不改变轨道车辆原有的牵引传动系统拓扑的情况下实现模块化安装。
[0048]
2、能提高轨道车辆能量利用率，减少电力能源浪费，降低牵引网最大电流从而节省基础设施建设费用。通过本发明系统，轨道车辆可以获得无电区域牵引能力，提高了轨道车辆的通过性以及紧急状态下的脱困能力。
[0049]
3、能综合利用各种储能介质的优点，整个系统具有功率密度大、能量密度大、可靠性强的特性。
附图说明
[0050]
图1为本发明实施例所述轨道车辆模块化混合辅助能源系统的拓扑示意图；
[0051]
图2为本发明应用于城市轨道车辆的拓扑示意图；
[0052]
标号说明：1-牵引供电接触网、2-受电弓、3-超级电容矩阵双向直流变换器、4-超级电容矩阵、5-第一开关单元、6-熔断器、7-滤波电感、8-牵引变电所等效电压源、9-滤波电
容、10-支撑电容、11-牵引电机、12-第二开关单元、13-轨道、14-车轮、15-电池组双向直流变换器、16-储能电池组。
[0053]
图3为本发明应用于多流制高速铁路车辆的拓扑示意图；
[0054]
标号说明：a-交流牵引供电接触网、b-交流滤波电抗器、c-轮轨、d-直流牵引供电接触网、e-直流滤波电抗器、f-支撑电容、g-牵引电机、h-超级电容矩阵、i-超级电容矩阵双向直流变换器、j-电池组双向直流变换器、k-储能电池组、l-车载发电机双向直流变换器、m-车载发电机四象限整流器、n-车载发电机。
[0055]
图4为本发明实施例所述方法流程图；
[0056]
图5为本发明实施例所述方法中运行控制环节和电流限幅环节示意图。
具体实施方式
[0057]
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
[0058]
本发明一方面提供一种轨道车辆模块化混合辅助能源系统，包括：混合储能介质、储能变换器组、能源管理系统、电气传感器、车辆运行监控系统和控制器。
[0059]
其中，混合储能介质包括多种不同的储能介质，具体在本实施例中包括具有较高能量密度的储能电池组和具有较高功率密度的超级电容矩阵这两种电储能介质，另外还可以选择燃料类储能介质，比如燃料发电机组、燃料电池、飞轮等，本实施例选择燃料发电机组作为燃料类储能介质为例进行解释说明。
[0060]
每种储能介质对应设置一个储能变换器，所有储能变换器构成前述的储能变换器组。其中，储能变换器为直流双向变换器，在电路结构上可以为双向buck-boost型、双向半桥型、双向cuk型、双向sepic型的隔离或非隔离电路，其中的全控型器件可以为igbt、mosfet或igct，器件材料可以为sic或gan。
[0061]
所有储能介质通过各自对应的储能变换器，交错并联至牵引传动系统中间直流环节，实现中间直流环节与混合储能介质之间相互能量交换。
[0062]
能源管理系统包括若干个与每种储能介质一一对应设置的管理子系统，本实施例中即：用于管理储能电池组的电池管理子系统、用于管理超级电容矩阵的超级电容管理子系统、用于管理燃料发电机的发电机组管理子系统。
[0063]
各管理子系统分别收集对应储能介质的物理信息(电储能介质的物理信息包括电压、电流、温度等，燃料发电机的物理信息包括转速、燃料剩余量等)，以用于计算估计储能介质的工作状态。若是电储能介质，计算估计的工作状态即是指其荷电状态(state ofcharge,soc)。若是燃料类储能介质，为方便统一能量管理和减少污染物排放，计算估计的工作状态即是将燃料剩余量换算为等效的soc，当且仅当燃料剩余量q
rest
高于最低燃料剩余量约束q
lim
且处于应急牵引状态时，燃料储能介质等效soc为1，否则燃料储能介质等效soc为0。
[0064]
电气传感器设置于牵引传动系统中间直流环节，用于采集中间直流环节的电容电压主电流信号，从而用于判断中间直流环节的电压是否稳定在预设容许范围。
[0065]
车辆运行监控系统，在本实施例中通过光纤、网线、wi-fi、zigbee等方式，与轨道车辆牵引控制系统通信以获取车辆的当前运行状态(比如速度、加速度等)，通信协议可以
为arcnet、tcp等。
[0066]
上述储能变换器用于连接中间直流环节的引出端，可视为本发明混合辅助能源系统的能量接口；车辆运行监控系统用于连接轨道车辆牵引控制系统的引出端，以及电气传感器用于采集中间直流环节电压电流信号的采集端，可视为本发明混合辅助能源系统的信息接口。
[0067]
控制器从电气传感器获取牵引传动系统中间直流环节的电压与电流值，从能源管理系统获取各储能介质的工作状态，通过车辆运行监控系统从轨道车辆牵引控制系统获取车辆的运行状态，并根据获取的数据计算和输出pwm控制信号，以及将pwm控制信号作用于各储能变换器。
[0068]
基于上述的轨道车辆模块化混合辅助能源系统，本发明另一方面还提供其控制方法实施例，应用于所述的控制器，包括以下步骤：
[0069]
s1，根据能源管理系统发送的数据，判断各储能介质的当前工作状态：电储能介质的soc和燃料类储能介质的等效soc。
[0070]
s2，根据电气传感器和车辆运行监控系统发送的数据，判断车辆的当前运行状态；
[0071]
具体为：根据车辆速度判断车辆处于运行状态(车辆速度》0)或停车状态(车辆速度＝0)，根据车辆所处的速度区间判断车辆是否处于启动状态，根据牵引网电压判断车辆处于有牵引网状态或无牵引网状态，根据牵引传动系统中间直流环节的电流判断车辆处于牵引网状态、制动状态或惰性状态。
[0072]
s3，综合各储能介质的当前工作状态和车辆的当前运行状态，控制各储能变换器，进而控制各储能介质之间以及各储能介质分别与牵引传动系统中间直流环节之间的能量转换。具体为：
[0073]
当列车处于有牵引网停车状态时，控制各电储能介质对应的储能变换器，使牵引传动系统中间直流环节以稳定的最大限制充电电流为电储能介质充电，直至电储能介质的soc达到最大约束。从而减少多车辆同时启动时可能引起的低频谐振现象，同时提高混合辅助能源系统在下一运行区段的辅助能力。
[0074]
当列车处于无牵引网停车状态时，控制各电储能介质对应的储能变换器，使具有能量密度更大的电储能介质将能量向具有功率密度更大的电储能介质转移，直至功率密度更大的电储能介质的soc达到其最大约束。可以提高混合辅助能源系统动态响应能力。
[0075]
当列车处于有牵引网启动状态时，控制各电储能介质对应的储能变换器，使电储能介质以最大限制放电电流向牵引传动系统中间直流环节放电。可以辅助车辆启动，从而降低车辆从牵引网获取的最大电流值。
[0076]
当列车处于应急牵引状态时，即无牵引网运行状态时，按步骤s2所述设定燃料储能介质的等效soc，进入运行控制环节；
[0077]
当列车处于有牵引网正常运行状态时，即有牵引网非启动运行状态时，进入运行控制环节；
[0078]
所述运行控制环节为：监测中间直流环节的实时电压值u
dc
，判断实时电压值u
dc
是否超出预设容许范围[u
dc_low
,u
dc_high
]；若u
dc
＜u
dc_low
，则控制储能变换器组使混合辅助能源系统向中间直流环节放电，从而抬高实时电压值u
dc
；若u
dc
＞u
dc_high
，则控制储能变换器组使中间直流环节向混合辅助能源系统充电，从而降低实时电压值u
dc
。
[0079]
其中，运行控制环节的具体控制方法为：
[0080]
(1)计算实时电压值u
dc
相对于预设容许范围的电压偏差值δu，根据确定充放电状况指示值m：
[0081][0082][0083]
式中，m＝1代表中间直流环节向混合辅助能源系统充电，m＝-1代表混合辅助能源系统向中间直流环节放电，m＝0代表混合辅助能源系统不动作；
[0084]
(2)利用低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器将电压偏差值δu分频为低频电压偏差δu
dcl
、中频电压偏差值δu
dcm
、高频电压偏差值δu
dch
；
[0085]
其中，低通滤波器的传递函数为：
[0086][0087]
带通滤波器的传递函数为：
[0088][0089]
高通滤波器的传递函数为：
[0090][0091]
(3)将分频后的各电压偏差值进行pi环节计算，得到对应的低频电流偏差值δi
dcl
、中频电流偏差值δi
dcm
和高频电流偏差值δi
dch
；其中，pi环节的传递函数为：
[0092][0093]
(4)根据各分频的电流偏差值、各储能介质的soc(针对燃料类储能介质，即其等效soc)和充放电状况指示值m，对各电储能介质的充放电电流限制，得到各电储能介质的充放电电流大小给定值i
out
：
[0094]
①
m＝1且soc
me
≤soc
me_highlim
，则
[0095]
②
m＝-1且soc
me
≥soc
me_lowlim
，则
[0096]
③
m＝1且soc
me
＞soc
me_highlim
或m＝-1且soc
me
＜soc
me_lowlim
或m＝0，则i
out
＝0。
[0097]
(5)将充放电电流大小给定值与充放电状况指示值m得到充放电电流调制值，通过脉冲宽度调制技术(pwm)得到储能变换器的触发脉冲，即作用于储能变换器上的pwm控制信号。
[0098]
当充放电电流调制值为正时代表中间直流环节向混合辅助能源系统充电，当充放电电流调制值为负时代表混合辅助能源系统向中间直流环节放电。
[0099]
本发明在辅助调节中间直流环节u
dc
的过程中，并不需要原有车载变流装置的参与。因此，本发明提出的混合辅助能源系统是模块化的，可以安装在任何有中间直流环节的轨道车辆上，包括但不限于交流电力机车、直流电力机车、多流制电力机车、城市轨道列车、磁悬浮列车、轻轨列车等。
[0100]
soc(state ofcharge)，即荷电状态，可以用来描述电储能介质所储存的电量，其取值范围为0-1。
[0101]
为保障电储能介质安全稳定运行，提高其使用寿命，需要实时监控其荷电状态，避免过充或过放，同时，也需要限制电储能介质的充放电电流。
[0102]
对于电储能介质的soc，简称为soc
me
，存在约束：
[0103]
soc
me_lowlim
≤soc
me
≤soc
me_highlim
[0104]
下角标me为media(介质)的简称，lowlim为low-limit(最低限制的简称)，highlim为high-limit(最高限制)的简称，因此soc
me_highlim
和soc
me_lowlim
分别为soc
me
的上下限。
[0105]
对于电储能介质充电电流i
char_me
和放电电流i
dis_me
存在约束：
[0106]ichar_me
≤i
mchar_me
，i
dis_me
≤i
mdis_me
[0107]
下角标char为charge(充电)的简称，dis为discharge(放电的简称)，m为maximum(最大)的简称，因此i
mchar_me
和i
mdis_me
分别为最大充电电流和最大放电电流。
[0108]
在图1示例中：
[0109]
对于储能电池组荷电状态soc
bat
存在约束：
[0110]
soc
bat_lowlim
≤soc
bat
≤soc
bat_highlim
[0111]
对于超级电容矩阵荷电状态soc
sc
存在约束：
[0112]
soc
sc_lowlim
≤soc
sc
≤soc
sc_highlim
[0113]
对于储能电池组充电电流i
char_bat
和放电电流i
dis_bat
存在约束：
[0114]ichar_bat
≤i
mchar_bat
，i
dis_bat
≤i
mdis_bat
[0115]
对于超级电容矩阵充电电流i
char_sc
和放电电流i
dis_sc
存在约束：
[0116]ichar_sc
≤i
mchar_sc
，i
dis_sc
≤i
mdis_sc
[0117]
当电储能介质soc低于最低约束时，将闭锁其放电功能；当电储能介质soc高于最高约束时，将闭锁其充电功能。
[0118]
对于燃料储能介质，其等效soc换算公式可以写作：
[0119][0120]
为保护燃料发电机组，当燃料剩余量q
rest
低于最低燃料剩余量q
lim
时，将闭锁其发电功能，即当燃料充足时，在放电过程中，将其等效为一个满电量的电储能介质，可以进行全功率输出，当车辆处于能耗制动时，也将其等效为一个满电量的电储能装置，不将电能向
其中注入，保证燃料储能介质的能量单向流动性；当燃料不足时，且处在放电过程中，将其等效为一个零电量的电储能介质，避免因为燃料不足而造成的设备损坏。对于燃料发电机组的整流器电流i
char_g
,也存在约束i
char_g
≤i
mchar_g
。
[0121]
以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。