一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法，包括两种控制方式：一种是车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略；另一种是与车地独立控制的车地分层控制策略；通过两种控制策略实现地面储能系统与车载储能系统的能量管理控制，完成车地一体牵引应急储能供电。本发明专利技术能够解决极端特殊线路情况下列车运行的稳定性与安全性问题以及牵引网网压波动过大的问题；能够实时分配车载储能与地面储能功率输出，确保列车安全高效运行，降低牵引网网压波动性，能够提供列车与牵引网在极端情况下的应急供电能力，保证列车与牵引网运行的稳定性与安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法
本专利技术属于列车供电
，特别是涉及一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法。
技术介绍
在面对偏远地区的铁路段，由于铁路营运环境恶劣，外部电网薄弱，维护困难，使得供电可靠性面临巨大挑战。例如川藏铁路就是存在上述问题。牵引网一旦出现故障，抢修时间较长，可能给乘客带来不安，甚至威胁到乘客的健康和生命安全，极端线路下应急保障供电当前极具挑战性的研究课题。传统的列车应急电源系统只能处理列车在一般线路情况下的应急状况，在面对极端线路情况时已不适用。地面储能方面目前已有光伏与储能系统接入牵引网方案，可以提高新能源利用率，但无法提高牵引系统在极端线路下车辆应急能力，难以适应极端运行情况，目前国内外还未见关于提高列车与牵引网在恶劣环境下安全性与稳定性的车地一体牵引保障系统有关研究。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种车地一体多功能应急储能供电系统及其控制方法，能够解决极端特殊线路情况下列车运行的稳定性与安全性问题以及牵引网网压波动过大的问题；能够实时分配车载储能与地面储能功率输出，确保列车安全高效运行，降低牵引网网压波动性，能够提高列车与牵引网在极端情况下的应急供电能力，保证列车与牵引网运行的稳定性与安全性。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，包括两种控制方式：一种是车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略；另一种是车地独立控制的车地分层控制策略；通过两种控制策略实现地面储能系统与车载储能系统的能量管理控制，完成车地一体应急储能供电；通过上述两种控制策略：在牵引供电正常模式时，车地一体化的车载与地面储能为列车起动、爬坡、加速时提供峰值功率，制动时回收再生制动能量，同时稳定网压、改善电能质量；在列车过电分相或其它无电区时，车载储能为列车不间断供电，回收列车制动能量，利用地面储能维持牵引网网压；在牵引供电故障时，则车载与地面储能为列车提供应急牵引电量保障列车安全运行到最近安全站点，维持列车辅助系统运行，回收列车制动能量。进一步的是，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略包含第一车载储能系统控制策略、第一地面储能系统控制策略以及车车、车地通讯单元；所述第一车载储能系统控制策略控制车载储能与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第一地面储能系统控制策略根据当前供电区间车载储能的充放电功率、当前牵引负荷及牵引网压状态，控制地面储能系统的充放电功率；所述车车、车地通讯单元实现列车与列车间的通讯，列车与地面储能系统间的通讯。进一步的是，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一车载储能系统控制策略包括步骤：S101：判断列车运行位置，若列车处于过无电区状态，则进入S1011；若列车未处于过无电区状态，则进入S102；S1011：通过接口单元将车载储能单元与列车牵引系统以及辅助系统连接，维持列车匀速运行并为列车辅助系统供电，此时车载储能系统输出功率PBC＝Pnbsf，其中Pnbsf为列车过无电区时需求功率；转入S103；S102：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S1021，否则转入S1022；S1021：牵引网处于正常状态，车载储能单元输出PBC为当前SOC状态下的期望输出PBCq＝(SOCBC-SOCBCq)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCBCq为车载储能单元当前期望荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；S1022：牵引网处于异常状态，车载储能系统与故障供电区间内地面储能系统一起组成孤网系统，为整个孤网内所有列车提供能量，此时列车终点为最近站点；车载储能单元输出P'BC为应急状态中当前SOC约束下的期望输出P'BCq＝(SOCBC-SOCLC)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态，PBCmax为车载储能单元期望最大输出功率；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；S103：判断列车是否到达终点，若到达终点，则结束运行，否则返回S101。进一步的是，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一地面储能系统控制策略包括步骤：S201：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S202；否则转入S203；S202：牵引网处于正常模式，统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率PBCi，并计算车载储能单元总输出功率其中n为接入牵引网的车载储能单元数量；进入S2021；S2021：牵引网实时负荷为Pload，此时车载储能单元功率输出已确定，实时分配牵引网功率输出PN与地面储能单元功率输出PBL，地面储能单元期望输出为PBLq＝(SOCBL-SOCLL)/(SOCHL-SOCLL)*PBLmax,其中SOCBL为地面储能单元荷电状态，SOCHL与SOCLL为地面储能单元限制最高与最低荷电状态，PBLmax为地面储能单元期望最大输出功率；约束牵引网输出功率变化率不能过大，即设定约束条件PNL-ΔP'·ΔT≤PN≤PNL+ΔP'·ΔT,其中PNL为上一时刻牵引网输出功率，ΔP'为牵引网输出最大波动率，ΔT为间隔时间；进入S2022；S2022：令PN＝Pload-PBC-PBLq，若PN＜PNL-ΔP'·ΔT，则，PN＝PNL-ΔP'·ΔT；若PN＞PNL+ΔP'·ΔT，则PN＝PNL+ΔP'·ΔT；令PBL＝Pload-PBC-PN，完成功率分配；进入S2023；S2023：通过地面能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；S203：牵引网处于异常模式，故障供电区间内地面储能系统与车载储能系统组成孤网，为整个孤网内所有列车提供能量，保证列车安全行驶到达最近站点；统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率P'BCi，并计算车载储能单元总输出功率转入S2031；S2031：牵引网实时负荷为P'load，地面储能单元输出功率为P'BL＝P'load-P'BC，完成功率分配；进入S2032；S2032：通过能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率输出调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；S204：若牵引网内有车辆运行，则返回S201；若牵引网处于异常状态且无车辆运行，则结束牵引网运行，进行牵引网供电区间维修。进一步的是，所述车地分层控制策略包括第二车载储能系统控制策略和第二地面储能系统控制策略，所述第二车载储能系统控制策略控制车载储能单元与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第二地面储能系统控制策略根据牵引网网压波动情况控制地面储能系统功率输出。进一步的是，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，包括两种控制方式：一种是车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略；另一种是车地独立控制的车地分层控制策略；通过两种控制策略实现地面储能系统与车载储能系统的能量管理控制，完成车地一体应急储能供电；/n通过上述两种控制策略：在牵引供电正常模式时，车地一体化的车载与地面储能为列车起动、爬坡、加速时提供峰值功率，制动时回收再生制动能量，同时稳定网压、改善电能质量；在列车过电分相或其它无电区时，车载储能为列车不间断供电，回收列车制动能量，利用地面储能维持牵引网网压；在牵引供电故障时，则车载与地面储能为列车提供应急牵引电量，保障列车安全运行到最近安全站点，维持列车辅助系统运行，回收列车制动能量。/n

【技术特征摘要】
1.一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，包括两种控制方式：一种是车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略；另一种是车地独立控制的车地分层控制策略；通过两种控制策略实现地面储能系统与车载储能系统的能量管理控制，完成车地一体应急储能供电；
通过上述两种控制策略：在牵引供电正常模式时，车地一体化的车载与地面储能为列车起动、爬坡、加速时提供峰值功率，制动时回收再生制动能量，同时稳定网压、改善电能质量；在列车过电分相或其它无电区时，车载储能为列车不间断供电，回收列车制动能量，利用地面储能维持牵引网网压；在牵引供电故障时，则车载与地面储能为列车提供应急牵引电量，保障列车安全运行到最近安全站点，维持列车辅助系统运行，回收列车制动能量。


2.根据权利要求1所述的一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略包含第一车载储能系统控制策略、第一地面储能系统控制策略以及车车、车地通讯单元；
所述第一车载储能系统控制策略控制车载储能与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第一地面储能系统控制策略根据当前供电区间车载储能的充放电功率、当前牵引负荷及牵引网压状态，控制地面储能系统的充放电功率；所述车车、车地通讯单元实现列车与列车间的通讯，列车与地面储能系统间的通讯。


3.根据权利要求2所述的一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一车载储能系统控制策略包括步骤：
S101：判断列车运行位置，若列车处于过无电区状态，则进入S1011；若列车未处于过无电区状态，则进入S102；
S1011：通过接口单元将车载储能单元与列车牵引系统以及辅助系统连接，维持列车匀速运行并为列车辅助系统供电，此时车载储能系统输出功率PBC＝Pnbsf，其中Pnbsf为列车过无电区时需求功率；转入S103；
S102：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S1021，否则转入S1022；
S1021：牵引网处于正常状态，车载储能单元输出PBC为当前SOC状态下的期望输出PBCq＝(SOCBC-SOCBCq)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCBCq为车载储能单元当前期望荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；
S1022：牵引网处于异常状态，车载储能系统与故障供电区间内地面储能系统一起组成孤网系统，为整个孤网内所有列车提供能量，此时列车终点为最近站点；车载储能单元输出P′BC为应急状态中当前SOC约束下的期望输出P′BCq＝(SOCBC-SOCLC)/(SOCHC-SOCLC)*PBCmax，其中SOCBC为车载储能单元荷电状态，SOCHC与SOCLC为车载储能单元限制最高与最低荷电状态，PBCmax为车载储能单元期望最大输出功率；其它能量由牵引网与地面储能系统输出；转入S103；
S103：判断列车是否到达终点，若到达终点，则结束运行，否则返回S101。


4.根据权利要求2所述的一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，所述车地协调与多车协调的车地一体化协调控制策略中第一地面储能系统控制策略包括步骤：
S201：判断牵引网是否处于正常状态，若牵引网处于正常状态，则转入S202；否则转入S203；
S202：牵引网处于正常模式，统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率PBCi，并计算车载储能单元总输出功率其中n为接入牵引网的车载储能单元数量；进入S2021；
S2021：牵引网实时负荷为Pload，此时车载储能单元功率输出已确定，实时分配牵引网功率输出PN与地面储能单元功率输出PBL，地面储能单元期望输出为PBLq＝(SOCBL-SOCLL)/(SOCHL-SOCLL)*PBLmax,其中SOCBL为地面储能单元荷电状态，SOCHL与SOCLL为地面储能单元限制最高与最低荷电状态，PBLmax为地面储能单元期望最大输出功率；约束牵引网输出功率变化率不能过大，即设定约束条件PNL-ΔP'·ΔT≤PN≤PNL+ΔP'·ΔT,其中PNL为上一时刻牵引网输出功率，ΔP'为牵引网输出最大波动率，ΔT为间隔时间；进入S2022；
S2022：令PN＝Pload-PBC-PBLq，若PN＜PNL-ΔP'·ΔT，则，PN＝PNL-ΔP'·ΔT；若PN＞PNL+ΔP'·ΔT，则PN＝PNL+ΔP'·ΔT；令PBL＝Pload-PBC-PN，完成功率分配；进入S2023；
S2023：通过地面能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；
S203：牵引网处于故障模式，故障供电区间内地面储能系统与车载储能系统组成孤网，为整个孤网内所有列车提供能量，保证列车安全行驶到达最近站点；统计当前接入牵引网的车载储能单元数量以及每个车载储能单元输入输出功率P′BCi，并计算车载储能单元总输出功率转入S2031；
S2031：牵引网实时负荷为P′load，地面储能单元输出功率为P′BL＝P′load-P′BC，完成功率分配；进入S2032；
S2032：通过能量管理控制器将分配结果传输给地面储能功率输出调节单元，控制地面储能单元能量输出；进入S204；
S204：若牵引网内有车辆运行，则返回S201；若牵引网处于异常状态且无车辆运行，则结束牵引网运行，进行牵引网供电区间维修。


5.根据权利要求1所述的一种车地一体多功能应急储能供电控制方法，其特征在于，所述车地分层控制策略包括第二车载储能系统控制策略和第二地面储能系统控制策略，所述第二车载储能系统控制策略控制车载储能单元与列车以及牵引网之间的能量传输；所述第二地面储能系统控制策略根据牵引网网压波动情况...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴朝华，李密，柳晓峰，李涛，
申请(专利权)人：西南交通大学，中车株洲电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51