一種儲能式城軌列車充電功率分配方法及系統與流程

2023-06-10 12:11:22

本發明涉及儲能式城軌列車充電控制領域，尤其涉及一種儲能式城軌列車充電功率分配方法及系統。

背景技術：

以低地板有軌電車為代表的某些新型城市軌道列車通常採用儲能式站停供電的方式，即：車站運行區間無接觸網供電，列車運行所需電能由車載儲能系統通過雙向DC-DC變換器升壓斬波提供，在停站時每個車站設置的地面供電裝置通過站臺區域接觸網給列車牽引系統(包括牽引子系統與儲能裝置)、輔助系統及空調系統供電。每個車站通常設置一套地面供電裝置，為節省建設成本地面供電裝置的功率要儘可能的小，只需滿足列車車載儲能裝置充電、輔助系統及空調系統功率需求即可。然而在列車牽引啟動加速出站階段，在站停區域接觸網供電下若列車其他系統功率保持不變時，牽引系統功率會隨著啟動加速持續上升，導致地面供電裝置功率無法同時滿足牽引系統、車載儲能充電系統、輔助系統及空調系統的功率需求。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種通過對列車上各用電系統的功率進行分配和調節，在滿足列車牽引系統啟動加速和儲能系統充電用電需求的前提下，儘可能充分利用地面供電裝置的功率，又不會因地面供電裝置功率需求過大而造成的建設成本增加，具有可簡單、高效的降低列車對地面充電裝置的功率需求，從而降低地面充電裝置建設成本等優點的儲能式城軌列車充電功率分配方法及系統。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：一種儲能式城軌列車充電功率分配方法，包括如下步驟：

S1.獲取地面充電裝置的最大允許輸出電流限值；

S2.獲取列車輔助系統的輔助供電實時電流值；

S3.根據所述最大允許輸出電流限值和輔助供電實時電流值計算牽引供電最大電流允許值，所述牽引供電最大電流允許值為可用於為列車牽引系統中牽引逆變器及DC-DC充電機供電輸入的最大電流允許值；

S4.計算牽引實時電流值，所述牽引實時電流值為列車牽引系統中牽引電機正常發揮牽引特性所需要的牽引逆變器直流側輸入的實時電流值；

S5.根據所述牽引供電最大電流允許值和牽引實時電流值計算最大充電電流限值，所述最大充電電流限值為可用於為列車牽引系統中儲能裝置充電的最大充電電流限值；

S6.在所述最大充電電流限值範圍內為儲能裝置充電。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S1中地面充電裝置的最大允許輸出電流限值通過讀取地面充電裝置的信標獲取。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S2的具體步驟為：通過電流傳感器獲取列車各輔助系統的實時電流值，計算所述各輔助系統的實時電流值之和，得到所述輔助供電實時電流值。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S3的具體步驟包括：

S3.1.由所述地面充電裝置的最大允許輸出電流限值減所述輔助供電實時電流值計算得到牽引供電最大電流允許值的總和；

S3.2.通過所述牽引供電最大電流允許值的總和除以預先獲取的列車正常工作的牽引系統數量計算得到可用於為列車每套牽引系統供電的牽引供電最大電流允許值。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S4的具體步驟包括：

S4.1.獲取牽引電機正常執行當前牽引指令的牽引特性參數；

S4.2.根據所述牽引特性參數實時計算牽引實時電流值。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S6的具體步驟包括：當所述最大充電電流限值大於等於所述儲能裝置的預設的充電電流時，以所述預設的充電電流對儲能裝置進行充電，否則以所述最大充電電流限值對儲能裝置進行充電。

作為本發明的進一步改進，所述步驟S6中對儲能裝置進行充電是指以充電電流按照恆流充電方式進行充電。

作為本發明的進一步改進，在所述步驟S6之前，還包括步驟S6a：判斷所述儲能系統的電壓值是否小於儲能系統充滿電時的目標電壓值，是則執行步驟S6；否則不對儲能裝置進行充電，或者以所述目標電壓值按恆壓充電方式對儲能裝置充電。

一種儲能式城軌列車充電功率分配系統，包括：

參數獲取模塊：用於獲取地面充電裝置的最大允許輸出電流限值，獲取列車輔助系統的輔助供電實時電流值；

牽引計算模塊：用於計算牽引實時電流值，所述牽引實時電流值為列車牽引系統中牽引電機正常發揮牽引特性所需要的牽引逆變器直流側輸入的實時電流值；

計算模塊：根據所述最大允許輸出電流限值和輔助供電實時電流值計算牽引供電最大電流允許值，所述牽引供電最大電流允許值為可用於為列車牽引系統中牽引逆變器及DC-DC充電機供電輸入的最大電流允許值；根據所述牽引供電最大電流允許值和牽引實時電流值計算最大充電電流限值，所述最大充電電流限值為可用於為列車牽引系統中儲能裝置充電的最大充電電流限值；

充電控制模塊：用於在所述最大充電電流限值範圍內為儲能裝置充電。

作為本發明的進一步改進，所述充電控制模塊用於當所述最大充電電流限值大於等於所述儲能裝置的預設的充電電流時，以所述預設的充電電流對儲能裝置進行充電，否則以所述最大充電電流限值對儲能裝置進行充電。

與現有技術相比，本發明的優點在於：

1、本發明通過將地面充電裝置提供的電能功率劃分為兩部分，輔助系統用電功率、牽引系統的用電功率，其中牽引系統的用電功率又劃分為牽引電機用電功率和儲能裝置用電功率，在列車停站過程中，牽引系統的用電功率可全部為儲能裝置進行充電，在列車啟動過程中，優先為牽引電機供電，並隨著牽引電機用電需求的增加動態的調整對儲能裝置的充電功率，既能滿足列車在停站過程中對儲能裝置充電的需求，又能保證列車在啟動過程中牽引電機因驅動列車加速對電能的需求，具有簡單、高效的優點。

2、本發明通過對電能的分配，即可實現對地面充電裝置所提供電能的充分利用，又不會因為列車在停站充電及啟動加速過程對電能功率需求大而需要建設更大供電功率的地面充電裝置，從而降低地面充電裝置的建設成本。

附圖說明

圖1為本發明儲能式城軌列車電路原理示意圖。

圖2為本發明充電功率分配方法具體實施例流程示意圖。

圖3為本發明充電功率分配方法具體實施例功率分配調節示意圖。

圖4為本發明充電功率分配方法具體實施例列車牽引系統電流關係示意圖一。

圖5為本發明充電功率分配方法具體實施例列車牽引系統電流關係示意圖二。

圖6為本發明充電功率分配系統結構示意圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但並不因此而限制本發明的保護範圍。

如圖1所示，本實施例的儲能式城軌列車包括多節牽引車，編號為牽引車1至牽引車N，每節牽引車具有一套牽引系統，包括牽引逆變器部分、牽引電機(電機負載)和儲能裝置。通過DC/AC逆變器為牽引電機供電，同時通過雙向DC/DC變換器為儲能裝置充電，DC/AC逆變器與雙向DC/DC變換器通過中間直流電路並聯。每節牽引車的牽引系統通過接觸網供電的直流輸入母線並聯，列車的輔助系統並聯在通過接觸網供電的直流輸入母線上。

如圖2所示，本實施例的儲能式城軌列車充電功率分配方法，包括如下步驟：S1.獲取地面充電裝置的最大允許輸出電流限值I0；S2.獲取列車輔助系統的輔助供電實時電流值Ia；S3.根據所述最大允許輸出電流限值I0和輔助供電實時電流值Ia計算牽引供電最大電流允許值Imax1，所述牽引供電最大電流允許值Imax1為可用於為列車牽引系統中牽引逆變器及DC-DC充電機供電輸入的最大電流允許值；S4.計算牽引實時電流值I3，牽引實時電流值I3為列車牽引系統中牽引電機正常發揮牽引特性所需要的牽引逆變器直流側輸入的實時電流值；S5.根據所述牽引供電最大電流允許值Imax1和牽引實時電流值I3計算最大充電電流限值Imax2，所述最大充電電流限值Imax2為可用於為列車牽引系統中儲能裝置充電的最大充電電流限值；S6.在所述最大充電電流限值Imax2範圍內為儲能裝置充電。

在本實施例中，步驟S1中地面充電裝置的最大允許輸出電流限值I0通過讀取地面充電裝置的信標獲取。步驟S2中的輔助供電實時電流值Ia通過電流傳感器獲取列車各輔助系統(包含空調系統)的實時電流值，計算所述各輔助系統的實時電流值之和，得到所述輔助供電實時電流值。

在本實施例中，步驟S3的具體步驟包括：S3.1.由地面充電裝置的最大允許輸出電流限值I0減輔助供電實時電流值Ia計算得到牽引供電最大電流允許值的總和Imax1-all，Imax1-all＝I0-Ia；S3.2.通過牽引供電最大電流允許值的總和Imax1-all除以預先獲取的列車正常工作的牽引系統數量N計算得到可用於為列車每套牽引系統供電的牽引供電最大電流允許值在本實施例中，將地面充電裝置所提供的電能優先為輔助系統供電，剩餘電能(即牽引供電最大電流允許值的總和Imax1-all)根據列車中正常工作的牽引車(即牽引系統)的數量平均分配，從而確定每臺牽引車可用於為牽引系統供電的牽引供電最大電流允許值Imax1。在本實施例中，在列車進站駛入站臺供電區停車後，列車從地面供電裝置獲取電能，且牽引電機仍處於電制動工況時，牽引電機仍輸出制動電能，此時，列車能夠獲得的電能包括地面充電裝置的最大允許輸出電流限值I0和牽引電機電制動輸出的電流I4，此時列車所獲得的電能只需要分配給列車的輔助系統和儲能系統，輔助供電實時電流值Ia，則此時可用於為列車每套牽引系統中儲能裝置充電的最大充電電流限值列車可在此限值範圍內對儲能裝置進行充電。

當列車在停站過程中，列車停止時牽引電機不需要輸出功率，此時該牽引供電最大電流允許值Imax1可全部用於為牽引系統中的儲能裝置進行充電。當列車出站時，即列車已啟動但仍未駛出站臺供電區，列車仍然通過地面供電裝置獲取電能，牽引電機輸出功率使列車加速，此時，需要對牽引供電最大電流允許值Imax1進行合理分配，需要同時兼顧列車牽引電機和儲能裝置對電能的需求。在本實施例中，步驟S4的具體步驟包括：S4.1.獲取牽引電機正常執行當前牽引指令的牽引特性參數；S4.2.根據牽引特性參數實時計算牽引實時電流值I3。在本實施例中，在列車出站過程中，優先為牽引電機提供電能，在保證牽引電機按照牽引控制系統的司控器發出的牽引指令正常輸出牽引功率的前提下，將額外的電能提供給儲能裝置，為儲能裝置充電。在本實施例中，列車啟動過程中可用於為列車牽引系統中儲能裝置充電的最大充電電流限值Imax2＝Imax1-I3。

在本實施例中，步驟S6的具體步驟包括：當最大充電電流限值Imax2大於等於儲能裝置的預設的充電電流時，以預設的充電電流對儲能裝置進行充電，否則以最大充電電流限值對儲能裝置進行充電。步驟S6中對儲能裝置進行充電是指以充電電流按照恆流充電方式進行充電。在本實施例中，預設的充電電流可設置為儲能裝置的額定充電電流。在本實施例中，在步驟S6之前，還包括步驟S6a：判斷儲能系統的電壓值是否小於儲能系統充滿電時的目標電壓值，是則執行步驟S6；否則不對儲能裝置進行充電，或者以目標電壓值按恆壓充電方式對儲能裝置充電。

如圖3所示，對牽引供電最大電流允許值Imax1進行分配，I3是牽引實時電流值，即列車牽引系統中牽引電機正常發揮牽引特性所需要的牽引逆變器直流側輸入的實時電流值，Imax2是可分配給儲能裝置的最大充電電流限值，I2是為儲能裝置進行充電提供的充電電流值。通過將牽引實時電流值I3和充電電流值I2作為電能分配控制的反饋信息，可對牽引供電最大電流允許值Imax1進行實時調整，從而實現對牽引電機的優先供電。

在本實施例中，對牽引供電最大電流允許值Imax1進行分配，為儲能裝置充電根據最大充電電流限值Imax2，儲能裝置預設的充電電流以及牽引實時電流值I3的不同可分為幾種情形。預設的充電電流優選為儲能裝置的額定充電電流。第一種情形如圖4所示，此時儲能裝置的額定充電電流大於等於牽引供電最大電流允許值Imax1，牽引實時電流值I3大於等於牽引供電最大電流允許值Imax1。則在列車啟動前，即如圖4中t0時刻前，牽引實時電流值I3＝0，則可將牽引供電最大電流允許值Imax1全部分配給儲能裝置，即牽引供電最大電流允許值Imax1等於最大充電電流限值Imax2。在t0時刻後，牽引電機根據牽引指令正常發揮牽引力，牽引電機所需要的牽引實時電流值I3逐漸增加，則可分配給儲能裝置的最大充電電流限值Imax2相應降低。當到達t1時刻，將全部電能提供給牽引電機，停止對儲能裝置進行充電，即牽引實時電流值I3等於牽引供電最大電流允許值Imax1。直到t2時刻，列車駛出站臺區域，列車不再由地面充電裝置供電，由儲能裝置釋放電能，為牽引電機供電。第二種情形如圖5所示，此時儲能裝置的額定充電電流小於牽引供電最大電流允許值Imax1，牽引實時電流值I3小於牽引供電最大電流允許值Imax1。則在列車啟動前，即如圖4中t0時刻前，牽引實時電流值I3＝0，則可將牽引供電最大電流允許值Imax1全部分配給儲能裝置，即牽引供電最大電流允許值Imax1等於最大充電電流限值Imax2，由於最大充電電流限值Imax2大於儲能裝置的額定充電電流Ie，此時對儲能裝置充電的充電電流值I2等於額定充電電流Ie。在t0時刻後，牽引電機根據牽引指令正常發揮牽引力，牽引電機所需要的牽引實時電流值I3逐漸增加，則可分配給儲能裝置的最大充電電流限值Imax2相應降低，但仍然大於儲能裝置的額定充電電流，此時仍以額定充電電流為儲能裝置充電。在t1時刻，隨著牽引電機對電能需求的增加，需要將更多的電能分配給牽引電機，可分配給儲能裝置的最大充電電流限值Imax2小於儲能裝置的額定充電電流，此時，優先為牽引電機供電，對儲能裝置充電的充電電流值I2等於最大充電電流限值Imax2。在t2時刻，牽引電機對電能的需求達到根據牽引指令正常發揮牽引力的最大需求，此時，對牽引電機供電的牽引實時電流值保持為I3，對儲能裝置充電的充電電流值I2等於最大充電電流限值Imax2。直到列車在t3時刻駛出站臺地面充電裝置供電區域。在本實施例中，通過變化的充電電流值對儲能裝置充電，但充電控制方式採用恆流充電控制方式。

如圖6所示，本實施例的儲能式城軌列車充電功率分配系統，包括：參數獲取模塊：用於獲取地面充電裝置的最大允許輸出電流限值，獲取列車輔助系統的輔助供電實時電流值；牽引計算模塊：用於計算牽引實時電流值，牽引實時電流值為列車牽引系統中牽引電機正常發揮牽引特性所需要的牽引逆變器直流側輸入的實時電流值；計算模塊：根據最大允許輸出電流限值和輔助供電實時電流值計算牽引供電最大電流允許值，牽引供電最大電流允許值為可用於為列車牽引系統中牽引逆變器及DC-DC充電機供電輸入的最大電流允許值；根據牽引供電最大電流允許值和牽引實時電流值計算最大充電電流限值，最大充電電流限值為可用於為列車牽引系統中儲能裝置充電的最大充電電流限值；充電控制模塊：用於在最大充電電流限值範圍內為儲能裝置充電。充電控制模塊用於當最大充電電流限值大於等於儲能裝置的預設的充電電流時，以預設的充電電流對儲能裝置進行充電，否則以最大充電電流限值對儲能裝置進行充電。

上述只是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的範圍內。