一种超级电容轨道交通能馈装置的能量管理系统及方法与流程

1.本发明涉及城市轨道交通供电技术领域，尤其涉及一种超级电容轨道交通能馈装置的能量管理系统及方法。


背景技术：

2.近年来，我国规划建设的城市轨道交通系统供电系统中，为实现“30.60”双碳目标以及考虑到经济性需求，各站点通常配置能量回馈装置，用于列车进站回馈制动时的能量吸收，可将制动能量进行回收利用，具有显著的经济效益和社会环保效益。
3.若按照城市轨道交通能馈系统能量回收方式可分为能馈型和储能型能馈装置，绝大多数在运的能馈系统为能馈式，即将直流牵引网中的能量通过dc/ac变流器传递到中压交流母线中，少部分新建的能馈系统同时具备牵引功能，即当直流牵引网电压过低时，也从中压交流母线中吸收能量，用于牵引列车启动。显然的，此类dc/ac能馈系统需要对中压交流母线进行改造，需要额外配置变压器，不但对每次回馈的能量带来了额外的损耗，也对中压交流母线乃至外部的大电网稳定性造成了一定影响。
4.轨道交通储能型能馈系统仅与直流牵引网进行能量交互，天然的与中压交流电网隔离，同时具备牵引和制动功能，特别是超级电容能馈系统，由于超级电容的充放电特性，正好匹配列车牵引制动时的能量需求，故近年来开始在我国轨道交通系统中示范应用。
5.由于超级电容储能型能馈系统不像传统的能馈型装置与电网连接，可以无限制的吸收或释放能量支撑直流牵引网电压波动，若仍按传统的能馈装置仅判断直流牵引网电压进行充放电操作，会造成超级电容的容量时时变化，不能保证在列车进站需要超级电容能馈装置吸收能量时电容容量在最大工作区间，直流牵引网的能量易向邻站扩散，徒增线路损耗；且一条线路上列车制动和牵引能量与速度和载客量相关，而速度和载客量与站点及运行时间段有较强的关联度，通常工程上该线路的各超级电容能馈装置规格及参数一致，超级电容能馈装置最大输出电流有限制，功率随电容电压升高而增大，若超级电容起始充电电压过低，充电功率过低，直流牵引网的能量也易向邻站扩散，若充电起始电压过高，虽然充电起始功率变高，但造成超级电容工作区间变窄，容量利用率变低，充电饱和后能量仍会向邻站扩散，造成相同问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种超级电容轨道交通能馈装置的能量管理系统及方法，根据不同站点，同站点不同时间迭代优化出不同的工作参数，最大化的利用超级电容能馈系统容量，使列车制动能量最大程度的实现本站吸收，减小线路损耗。
7.为达到上述目的，本发明提供了一种超级电容轨道交通能馈装置的能量管理系统，包括多套储能式超级电容能馈装置；
8.每套储能式超级电容能馈装置包括超级电容模组和能馈装置；
9.所述能馈装置包括dc/dc电路及控制器，所述dc/dc电路高压侧连接至直流牵引
网，低压侧连接至超级电容模组；所述控制器控制超级电容能馈装置的工作状态：
10.当且仅当直流牵引网直流母线电压大于等于直流牵引网充电动作电压，且超级电容模组电压小于超级电容充电电压限制值时，超级电容能馈装置工作于充电状态；当且仅当直流牵引网直流母线电压小于等于直流牵引网放电动作电压，且超级电容模组电压大于超级电容放电电压限制值时，超级电容能馈装置工作于放电状态；除充电状态、放电状态外，超级电容能馈装置均工作于待机状态。
11.进一步地，所述控制器规定一段行车时间为一个迭代学习的时间区间t，第m个具体的迭代学习区间为t
m
表示；在一个学习区间t内划分为n个行车时间段，则某迭代学习的时间区间内的某行车时间段t
m,n
，每个行车时间段t
m,n
内调整超级电容能馈装置的状态。
12.另一方面提供一种所述的超级电容轨道交通能馈装置的能量管理系统进行能量管理的方法，包括：
13.(1)规定一段行车时间为一个迭代学习的时间区间t，第m个具体的迭代学习区间为t
m
表示；在一个学习区间t内划分为n个行车时间段，则某迭代学习的时间区间内的某行车时间段t
m,n
；
14.(2)列车进站时电制动引起牵引网电压u
bus
升高，达到系统回馈充电电压限值u
charge
时触发储能式超级电容能馈装置吸收电能，超级电容充电至充电上限u
charge
‑
limit
或u
bus
≤u
charge
时停止，出站时加速引起牵引网电压u
bus
降低，达到系统牵引放电电压限值u
discharge
时触发超级电容能馈装置释放电能，超级电容放电至放电下限u
discharge
‑
limit
停止；其中u
discharge
＜u
charge
，u
discharge
‑
limit
＜u
charge
‑
limit
；
15.(3)单次回馈充电完成后，如果列车未由直流牵引网吸取能量则为工况一入步骤(4)，如果列车由直流牵引网吸取能量则为工况二进入步骤(7)；
16.(4)t
m,n
内的列车进本站回馈充电的次数x为1则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；
17.(5)令单次回馈充电完成后的超级电容电压值u
charge
‑
m,n
，电容的最大允许充电电压为u
charge
‑
limit
，按下式计算该行车时间段超级电容剩余可充电压u
charge
‑
limit
‑
m,n
：
18.u
charge
‑
limit
‑
m,n
＝u
charge
‑
limit
‑
u
charge
‑
m,n
19.显然u
charge
‑
limit
‑
m,n
≥0恒成立，若u
charge
‑
limit
‑
m,n
＝0，则说明超级电容完全充满，不需要改变u
discharge
‑
limit
′
，下个的迭代学习区间t
m 1,n
保持超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
数值不变；u
charge
‑
limit
‑
m,n
＞0，则表示未充满，则提高下个的迭代学习区间t
m 1,n
超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
，以提高充电过程中的平均功率，返回步骤(2)等待下次直流母线电压波动；
20.(6)令单次回馈充电完成后的超级电容电压值u
charge
‑
m,n,x
，电容的最大允许充电电压为u
charge
‑
limit
‑
x
，按下式计算该行车时间段平均超级电容剩余可充电压
[0021][0022]
显然恒成立，若则说明超级电容完全充满，不需要改变u
discharge
‑
limit
′
，下个的迭代学习区间t
m 1,n
保持超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
数值不变；则表示未充满，提高下个的迭代学习区间t
m 1,n
超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
；返回步骤(2)等待下次直流母线电压波动；
[0023]
(7)每次的列车进站必然对应列车出站，列车出站造成直流母线电压下降时，直流牵引网电压降出现下降，当电压达到u
discharge
时，超级电容能馈系统会进入放电运行，令超级电容的放电终止值等于该t
m
内的放电下限值u
discharge
‑
limit
′
，将超级电容电能放电至放电下限时转待机，转入步骤(2)。
[0024]
进一步地，步骤(3)中判断为工况一或工况二，包括：比较充电完成后的超级电容本次充电的电压值δu，δu＝u
charge
‑
m,n
‑
u
charge
‑
limit
与最低速空载列车进站回馈充电完成后的超级电容电压值δu0，若δu≥δu0判断为列车进本站回馈，标记为工况一；若δu＜δu0，判断为列车进邻站或同时有列车出站导致直流牵引网电压升高回馈充电，记为工况二。
[0025]
进一步地，步骤(5)中提高下个的迭代学习区间t
m 1,n
超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
包括：行车时间段t
m 1,n
内超级电容放电电压限制值为：
[0026]
u
discharge
‑
limit
′
＝u
discharge
‑
limit
‑
k
discharge
‑
limit
*(u
bus
‑
m，n
‑
u
charge
)
[0027]
其中k
discharge
‑
limit
为调节系数，u
bus
‑
m，n
为列车进站时直流牵引网电压最高值。
[0028]
进一步地，步骤(6)中提高下个的迭代学习区间t
m 1,n
超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
包括：行车时间段t
m 1,n
内超级电容放电电压限制值为：
[0029]
u
discharge
‑
limit
′
＝u
discharge
‑
limit
‑
k
discharge
‑
limit
*(u
bus
‑
m，n
‑
u
charge
)
[0030]
其中k
discharge
‑
limit
为调节系数，u
bus
‑
m，n
为列车进站时直流牵引网电压最高值。
[0031]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0032]
由于超级电容储能型能馈系统不像传统的能馈型装置与电网连接，可以无限制的吸收或释放能量支撑直流牵引网电压波动，若仍按传统的能馈装置仅判断直流牵引网电压进行充放电操作，会造成超级电容的容量时时变化，不能保证在列车进站需要超级电容能馈装置吸收能量时电容容量在最大工作区间，直流牵引网的能量易向邻站扩散，徒增线路损耗；且一条线路上列车制动和牵引能量与速度和载客量相关，而速度和载客量与站点及运行时间段有较强的关联度，通常工程上该线路的各超级电容能馈装置规格及参数一致，超级电容能馈装置最大输出电流有限制，功率随电容电压升高而增大，若超级电容起始充电电压过低，充电功率过低，直流牵引网的能量也易向邻站扩散，若充电起始电压过高，虽然充电起始功率变高，但造成超级电容工作区间变窄，容量利用率变低，充电饱和后能量仍会向邻站扩散，造成相同问题。故针对轨道交通超级电容能馈装置提出一种自主型能量管理策略，根据不同站点，同站点不同时间迭代优化出不同的工作参数，最大化的利用超级电容能馈系统容量，使列车制动能量最大程度的实现本站吸收，减小线路损耗。
附图说明
[0033]
图1是本发明一种自主型的轨道交通超级电容能馈装置能量管理策略流程图；
[0034]
图2是超级电容能馈装置系统示意图；
[0035]
图3是超级电容放电限值自主控制流程图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本
发明的概念。
[0037]
本发明提供一种自主型的轨道交通超级电容能馈装置能量管理系统，在城市轨道交通的直流牵引网中，在不同站点接入多套储能式超级电容能馈装置，每套超级电容能馈装置由超级电容模组，能馈装置构成，能馈高压侧接直流牵引网，低压侧接超级电容模组，系统中的每套能馈装置控制器执行相同的能量管理控制逻辑，即根据各站的本地工作时间，超级电容能馈装置控制器自主时时评估超级电容容量利用情况，针对超级电容能馈装置的超级电容工作区间进行在线迭代优化，实现超级电容能馈系统储能容量的最大化利用，从而提高工程上同规格储能型能馈系统在不同站点的容量利用情况，使列车制动能量最大程度的实现本站吸收，减小线路损耗。
[0038]
具体由能馈装置和超级电容构成的储能式能馈系统执行，能馈装置是指由隔离开关、熔断器，接触器、软起、高压侧电容、功率模块、电抗器构成的dc/dc硬件电路、超级电容装置是指由超级电容控制器、断路器、熔断器、泄放电阻、多个子电容模块串并联构成的超级电容系统，该能馈系统接入直流牵引网，根据直流牵引网电压及超级电容工作区间进入充电、放电或待机运行模式。
[0039]
列车进站时，需要刹车致动，向直流电网回馈电能，造成电网电压升高，超级电容能馈装置充电吸能，列车出站时，启动过程中需要由直流电网吸收电能，造成电网电压降低，超级电容能馈装置放电。相邻站点的列车进出站会引起直流电网电压波动，因此要对该情况进行排除。
[0040]
该实施示例提供了一种自主型的轨道交通超级电容能馈装置能量管理策略，流程图如图1所示。规定一段行车时间为一个迭代学习的时间区间，在该迭代学习的时间区间内，根据行车计划，划分为多个行车时间段，通过对不同的迭代学习区间的相同行车时间段内超级电容能馈系统吸收电能能量情况，对超级电容能馈系统的工作区间进行适应性动态调整，为便于描述本发明的具体步骤，令上述迭代学习的时间区间为t，第m个具体的迭代学习区间可用t
m
表示，根据行车计划，在一个学习区间t内划分为n个行车时间段。其中m，n均为非零自然数，则某迭代学习的时间区间内的某行车时间段t
m,n
。
[0041]
超级电容能馈装置的基本工作逻辑为当且仅当牵引网直流母线电压u
bus
大于等于直流牵引网充电动作电压u
charge
，且超级电容电压u
cap
小于超级电容充电电压限制u
charge
‑
limit
时，超级电容能馈装置工作于充电状态，当且仅当牵引网直流母线电压u
bus
小于等于直流牵引网放电动作电压u
discharge
，且超级电容电压u
cap
大于超级电容放电电压限制u
discharge
‑
limit
时，超级电容能馈装置工作于放电状态，当牵引网直流母线电压u
bus
和超级电容电压u
cap
为上述两种状态外，超级电容能馈装置均工作于待机状态。
[0042]
本发明提供一种所述的超级电容轨道交通能馈装置的能量管理系统进行能量管理的方法，包括如下步骤(1)规定一段行车时间为一个迭代学习的时间区间t，第m个具体的迭代学习区间为t
m
表示；在一个学习区间t内划分为n个行车时间段，则某迭代学习的时间区间内的某行车时间段t
m,n
。
[0043]
(2)列车进站时电制动引起牵引网电压u
bus
升高，达到系统回馈充电电压限值u
charge
时触发超级电容能馈装置吸收电能，超级电容充电至充电上限u
charge
‑
limit
或u
bus
≤u
charge
时停止，出站时加速引起牵引网电压u
bus
降低，达到系统牵引放电电压限值u
discharge
时触发超级电容能馈装置释放电能，超级电容放电至放电上限u
discharge
‑
limit
停止。
[0044]
(3)单次回馈充电完成后，根据列车回馈制动的能量与列车进站最低能量比较分为两种运行工况，工况一入步骤(4)，工况二进入步骤(7)；
[0045]
进站时同时有列车出站，对应直流母线有两种情况，直流母线电压抬升，电容充电，可根据充电能量归为工况一和工况二，若是电压降落，可通过走放电逻辑步骤(7)。
[0046]
判断为工况一或工况二，包括：比较充电完成后的超级电容本次充电的电压值δu，δu＝u
charge
‑
m,n
‑
u
charge
‑
limit
与最低速空载列车进站回馈充电完成后的超级电容电压值δu0，若δu≥δu0判断为列车进本站回馈，标记为工况一；若δu＜δu0，判断为列车进邻站或同时有列车出站导致直流牵引网电压升高回馈充电，记为工况二。
[0047]
(4)t
m,n
内的列车进本站回馈充电的次数x为1则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)。
[0048]
(5)令单次回馈充电完成后的超级电容电压值u
charge
‑
m,n
，电容的最大允许充电电压为u
charge
‑
limit
，u
charge
‑
limit
为电容充电上限，与电容特性相关，保持不变。按下式计算该行车时间段超级电容剩余可充电压u
charge
‑
limit
‑
m,n
：
[0049]
u
charge
‑
limit
‑
m,n
＝u
charge
‑
limit
‑
u
charge
‑
m,n
[0050]
显然u
charge
‑
limit
‑
m,n
≥0恒成立，若u
charge
‑
limit
‑
1,1
＝0即超级电容完全充满，不需要改变u
discharge
‑
limit
v，该值为电容放电下限，大于0，且可调整。下个的迭代学习区间t
m 1,n
保持超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
数值不变；u
charge
‑
limit
‑
m,n
＞0，则表示未充满，则提高下个的迭代学习区间t
m 1,n
超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
，以提高充电过程中的平均功率；p＝ui，当电容起始电压越高时，充电功率越大，能量越容易在本站吸收。结束后，返回步骤(2)等待下次直流母线电压波动。
[0051]
提高下个的迭代学习区间t
m 1,n
超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
包括：行车时间段t
m 1,n
内超级电容放电电压限制值为：
[0052]
u
discharge
‑
limit
′
＝u
discharge
‑
limit
‑
k
discharge
‑
limit
*(u
bus
‑
m，n
‑
u
charge
)
[0053]
其中k
discharge
‑
limit
为调节系数，u
bus
‑
m，n
为列车进站时直流牵引网电压最高值。
[0054]
(6)令单次回馈充电完成后的超级电容电压值u
charge
‑
m,n,x
，电容的最大允许充电电压为u
charge
‑
limit
‑
x
，该值为电容充电上限，与电容特性相关，保持不变。按下式计算该行车时间段平均超级电容剩余可充电压
[0055][0056]
显然恒成立，若即超级电容完全充满，不需要改变u
discharge
‑
limit
′
，该值为电容放电下限，大于0，可调整。下个的迭代学习区间t
m 1,n
保持超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
数值不变；则表示未充满，则提高下个的迭代学习区间t
m 1,n
超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
，返回步骤(2)等待下次直流母线电压波动。
[0057]
令单次回馈充电完成后的超级电容电压值u
charge
‑
m,n,x
，将其与最低速空载列车进站回馈充电完成后的超级电容电压值u0进行对比，若u
charge
‑
m,n,x
≥u0可判断为列车进本站回馈，记为u
local_charge
‑
m,n,x
，其中x表示t
m,n
内的第x次列车进本站回馈充电，由于迭代学习的时间区间内的行车时间严格按照行车时间划分，此工况下仅一趟车进站，显然x＝1；若u
charge
‑
m,n
＜u0，可判断为列车进邻站导致直流牵引网电压升高回馈充电，记为
u
near_charge
‑
m,n,y
其中y表示t
m,n
内的第y次列车进邻站回馈，显然y与实际工况有关，为自然数。区分列车进本站后邻站两种情况执行下述步骤。
[0058]
提高下个的迭代学习区间t
m 1,n
超级电容放电电压限制值u
discharge
‑
limit
′
包括：行车时间段t
m 1,n
内超级电容放电电压限制值为：
[0059]
u
discharge
‑
limit
′
＝u
discharge
‑
limit
‑
k
discharge
‑
limit
*(u
bus
‑
m，n
‑
u
charge
)
[0060]
其中k
discharge
‑
limit
为调节系数，u
bus
‑
m，n
为列车进站时直流牵引网电压最高值。
[0061]
(7)每次的列车进站必然对应列车出站，列车出站造成直流母线电压下降时，直流牵引网电压降出现下降，当电压达到u
discharge
时，超级电容能馈系统会进入放电运行，令超级电容的放电终止值等于该t
m
内的放电下限值u
discharge
‑
limit
′
，将超级电容电能放电至放电下限时转待机，转入步骤(2)。
[0062]
综上所述，本发明涉及一种超级电容轨道交通能馈装置的能量管理系统及方法，应用于储能型轨道交通超级电容能馈装置，由不同站点的超级电容能馈装置控制器自主时时评估超级电容容量利用情况，针对超级电容能馈装置的超级电容工作区间进行在线迭代优化，实现超级电容能馈系统储能容量的最大化利用，从而提高工程上同规格储能型能馈系统在不同站点的容量利用情况，使列车制动能量最大程度的实现本站吸收，减小线路损耗。
[0063]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。