CN109649222B - 城轨列车再生能量综合利用***及其控制方法 - Google Patents

城轨列车再生能量综合利用***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种城轨列车再生能量综合利用***，包括直流母线和超级电容储能单元，其特征在于：还包括光伏发电储能***和协调控制模块。光伏发电装置开始发电时，协调控制模块控制剩余容量较小的蓄电池组吸收光伏发电电能并储存，与光伏发电装置连接的蓄电池组与直流母线断开连接；协调控制模块控制剩余容量较大的蓄电池组与直流母线连接为列车运行提供能量，并参与对列车制动能量的再生利用，与直流母线连接的蓄电池组与光伏发电装置断开连接。采用本发明的***及控制方法，即能对光伏发电电能和列车制动再生能量进行综合利用，有效降低列车运营成本，还不会对交流电网直流母线的稳定性和可靠性造成不良影响，从而保证城轨列车的正常运行。

Description

城轨列车再生能量综合利用***及其控制方法
技术领域
本发明涉及交通运输技术领域，特别是一种城轨列车再生能量综合利用***。
背景技术
目前，光伏发电技术由于其具有安全可靠、无噪声、资源充足、绿色环保等优点，正在被运用到越来越多的技术领域。城轨交通中，也可在高架车站屋顶装设太阳能光伏发电***，利用其发出的电能供城轨列车牵引站内的用电设备使用。然而，仅仅将太阳能光伏发电用于牵引站内的照明、空调等用电设备使用并不能充分利用太阳能。理论上，可以将光伏发电***通过DC/DC变换器直接接入城轨接触网的直流母线，为城轨列车的运行提供电能，但是，由于光伏发电受光照度和温度等环境因素影响较大，其发出的电能波动也较大，如果将其直接接入直流母线，将会造成直流母线能量的波动，同时，如果出现DC/DC变换器等接入设备的故障，也会直接影响直流母线的可靠性，从而影响列车的正常运行，甚至造成难以估量的损失。
另一方面，作为城轨列车再生制动的储能装置，蓄电池和超级电容器是运用最为广泛的，蓄电池具有能量密度高、价格较低等优点，但蓄电池的功率密度较低，循环寿命短；超级电容具有功率密度大、可承受深度充放电、使用寿命长、效率高等优点，但同时存在能量密度低、成本高等缺点。现有技术中，利用他们的优势互补，通常将两者结合成一个混合储能***，在列车制动时吸收并储存直流母线上的多余能量，当列车牵引加速时，又释放能量供列车使用。这样就可降低城轨列车从交流电网吸取的电能，从而达到节能减耗，降低运营成本的目的。但是现有技术对这种混合储能***的利用并不充分，没有使列车制动产生的能量得到充分的再生利用。
再一方面，光伏发电常用的储能装置也是蓄电池，如果能将光伏发电***接入直流母线，把超级电容器和光伏发电的蓄电池结合起来，实现列车运行过程中对再生制动能量和太阳能的综合利用，既环保，还将极大节约能源，降低城轨列车运营成本。
发明内容
针对背景技术的问题，本发明提供一种城轨列车再生能量综合利用***，同时还提供一种针对上述城轨列车再生能量综合利用***的控制方法，以解决如何既能充分利用太阳能光伏发电为列车行驶和用电设备提供能源，又不会影响城轨列车供电***的稳定性和可靠性，同时还能将蓄电池和超级电容器组结合起来，对列车再生制动和光伏发电的能量进行充分利用的问题。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种城轨列车再生能量综合利用***，包括城轨列车接触网的直流母线和超级电容储能单元；所述超级电容储能单元包括超级电容器组和第一DC/DC双向变换器，所述第一DC/DC双向变换器的高压侧与所述直流母线连接，所述第一DC/DC双向变换器的低压侧与超级电容器组连接，其创新点在于：还包括光伏发电储能***和协调控制模块；所述光伏发电储能***包括光伏发电装置、逆变器、DC/DC变换器、第二DC/DC双向变换器、2个开关组、2个蓄电池组和2个荷电检测单元；所述DC/DC变换器与光伏发电装置连接；所述2个蓄电池组均通过第一开关组与DC/DC变换器连接；2个蓄电池组均通过第二开关组与第二DC/DC双向变换器的低压侧连接，2个蓄电池组均通过第二开关组与逆变器的直流侧连接；第二DC/DC双向变换器的高压侧与所述直流母线连接；逆变器的交流侧与城轨列车牵引变电站的用电设备连接；所述2个荷电检测单元分别与2个蓄电池组连接，用于分别检测2个蓄电池组的剩余容量；
所述光伏发电装置用于将光能转化为电能输出；
所述DC/DC变换器用于将光伏发电装置输出的电能传输给蓄电池组充电；
所述第一DC/DC双向变换器用于实现超级电容器组与直流母线间的能量流动；
所述第二DC/DC双向变换器用于实现蓄电池组与直流母线间的能量流动；
所述逆变器能将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供城轨列车牵引变电站内的用电设备使用；
所述第一开关组能分别控制2个蓄电池组与DC/DC变换器的连接状态；所述第二开关组能分别控制2个蓄电池组与第二DC/DC双向变换器的连接状态；所述第二开关组能分别控制2个蓄电池组与逆变器的连接状态；所述连接状态包括连通和断开；
所述协调控制模块存储有直流母线的上限电压值和下限电压值数据；协调控制模块还能对输入数据或信号进行处理并输出相应的控制信号；协调控制模块的输入数据或信号包括：光伏发电装置的工作状态信号、直流母线实际电压、2个蓄电池组的剩余容量、超级电容器组的剩余容量、列车运行模式信号、列车的瞬时牵引功率和瞬时制动功率；协调控制模块的输出信号包括：2个开关组的控制信号、DC/DC变换器的控制信号、2个DC/DC双向变换器的控制信号、逆变器的控制信号；所述光伏发电装置的工作状态包括发电状态和停机状态；所述列车运行模式包括制动、牵引、巡航和惰行。
本发明还提供了针对上述城轨列车再生能量综合利用***的控制方法，其创新点在于：所述的控制方法包括：
(一)当光伏发电装置开始发电时，
1)首先光伏发电装置将发电状态信号发送给协调控制模块；
2)协调控制模块收到所述发电状态信号后即采集2个荷电检测单元的检测信号，并对2个蓄电池组的剩余容量进行比较，将剩余容量大的蓄电池组记为第一蓄电池组，将剩余容量小的蓄电池组记为第二蓄电池组；
3)然后，协调控制模块控制第一开关组同时进行如下几个操作：将第二蓄电池组与DC/DC变换器连通，将第一蓄电池组与DC/DC变换器断开；同时，协调控制模块控制第二开关组同时进行如下几个操作：将第二蓄电池组与逆变器连通，将第二蓄电池组与第二DC/DC双向变换器断开，将第一蓄电池组与第二DC/DC双向变换器连通，将第一蓄电池组与逆变器断开；
4)然后，协调控制模块控制DC/DC变换器工作，将光伏发电装置输出的电能传送给第二蓄电池组充电，同时，协调控制模块控制逆变器工作在逆变状态，将第二蓄电池组的电能传输给所述用电设备使用；
同时，协调控制模块按方法一控制所述直流母线、超级电容器组和第一蓄电池组三者间的能量流动；
(二)当光伏发电装置停止发电时，
A)首先，光伏发电装置将所述停机状态信号发送给协调控制模块；
B)协调控制模块收到所述停机状态信号后即控制第一开关组使2个蓄电池组均与DC/DC变换器断开；同时，协调控制模块控制第二开关组使2个蓄电池组均与第二DC/DC双向变换器断开；同时，协调控制模块控制第二开关组使2个蓄电池组均与逆变器断开；
所述方法一包括：
a)当列车制动时，列车将制动运行模式信号发送给协调控制模块；协调控制模块收到列车制动运行模式信号后，立即采集所述直流母线当前的实际电压值和列车当前的瞬时制动功率Pt1值数据，并将当前的实际电压值与所述上限电压值进行比较，当直流母线当前的实际电压值大于或等于上限电压值时，协调控制模块即对列车当前的瞬时制动功率Pt1进行分配，得到蓄电池吸收功率Pbat1和超级电容吸收功率Psc1，然后协调控制模块根据所述Pbat1和Psc1对制动能量进行分配分别得到蓄电池吸收能量和超级电容吸收能量；然后协调控制模块控制第一DC/DC双向变换器和第二DC/DC双向变换器均工作在降压模式，并将超级电容吸收能量通过第一DC/DC双向变换器传输给超级电容器组吸收，将蓄电池吸收能量通过第二DC/DC双向变换器传输给第一蓄电池组吸收；所述超级电容吸收功率Psc1按公式一获取，所述蓄电池吸收功率Pbat1按公式二获取；
所述公式一为：
Psc1＝PHFC1+α·PLFC1
其中，PHFC1为吸收功率高频分量，PHFC1按公式三获取；PLFC1为吸收功率低频分量，PLFC1按公式四获取；α为超级电容器组对吸收功率低频分量PLFC1的当前分担系数，α根据模糊推理表一采用模糊推理获取；
所述公式二为：
Pbat1＝(1-α)·PLFC1
所述公式三为：
Figure BDA0001968010790000041
其中，ω1为Pt1的频率；ω2为高通滤波器截止频率，ω2为设定值；
所述公式四为：
PLFC1＝Pt1-PHFC1
所述模糊推理表一为：
Figure BDA0001968010790000042
其中SOCSC为超级电容器组当前的剩余容量；
PLFC1、SOCSC和α三者的模糊论域均为{S，M，B}，其中S表示小，M表示适中，B表示大；
b)当列车牵引时，列车将牵引运行模式信号发送给协调控制模块；协调控制模块收到列车牵引运行模式信号后，立即采集所述直流母线当前的实际电压值和列车当前牵引所需的瞬时牵引功率Pt2值数据，并将当前的实际电压值与所述下限电压值进行比较，当直流母线当前的实际电压值小于或等于下限电压值时，协调控制模块即对当前的瞬时牵引功率Pt2进行分配，得到蓄电池释放功率Pbat2和超级电容释放功率Psc2，然后协调控制模块根据所述Pbat2和Psc2对所需牵引能量进行分配分别得到蓄电池释放能量和超级电容释放能量；然后协调控制模块控制第一DC/DC双向变换器和第二DC/DC双向变换器均工作在升压模式，并从超级电容器组将所述超级电容释放能量通过第一DC/DC双向变换器传输给直流母线，从第一蓄电池组将所述蓄电池释放能量通过第二DC/DC双向变换器传输给直流母线；所述蓄电池释放功率Pbat2按公式五获取，所述超级电容释放功率Psc2按公式六获取；
所述公式五为：
Pbat2＝PLFC2+β·PHFC2
其中，PLFC2为释放功率低频分量，PLFC2按公式七获取；PHFC2为释放功率高频分量，PHFC2按公式八获取；β为第一蓄电池组对释放功率高频分量PHFC2的当前分担系数，β根据模糊推理表二采用模糊推理获取；
所述公式六为：
Psc2＝(1-β)·PHFC2
所述公式七为：
Figure BDA0001968010790000051
其中，ω3为Pt2的频率；ω4为低通滤波器截止频率，ω4为设定值；
所述公式四为：
PHFC2＝Pt2-PLFC2
所述模糊推理表二为：
Figure BDA0001968010790000061
其中SOCbat为第一蓄电池组当前的剩余容量；
PHFC2、SOCbat和β三者的模糊论域均为{T，C，L}，其中T表示小，C表示适中，L表示大；
c)当列车处于巡航或惰行模式，或者虽然列车处于制动或牵引运行模式，但协调控制模块所采集的直流母线当前的实际电压值大于下限电压值且小于上限电压值时，协调控制模块控制超级电容器组和第一蓄电池组二者与直流母线间不进行能量流动。
本发明的原理如下：
由于光伏发电受光照度和温度影响较大，发电能量不稳定，如果直接将其发电电能接入直流母线，将会影响直流母线电压的稳定，从而影响城轨列车的正常运行。发明人巧妙地设计了本发明所述的***，很好地解决了这个问题。本发明中的光伏发电储能***包括2个蓄电池组和2套开关组，当光伏发电装置发电时，控制开关组使其中一个蓄电池组与DC/DC变换器连接以吸收光伏发电装置传输的电能充电，该蓄电池组吸收不完的电能再通过逆变器传输给牵引变电站内的用电设备使用；另一个蓄电池组与DC/DC变换器断开，不同时参与对光伏发电电能的吸收，而是通过第二DC/DC双向变换器与直流母线连接，将其储存的电能传输到直流母线供列车运行使用。这样，通过光伏发电产生的电能并不直接传输到直流母线供列车运行使用，而是先利用与光伏发电装置连接的蓄电池组存储起来，待下次该蓄电池组被选择与直流母线连接时，再释放给直流母线供列车运行使用，很好地避免了由于光伏发电电能的不稳定引起直流母线电压的波动，以及对直流母线可靠性的影响。
进一步地，为了最大程度利用光伏发电的电能，本发明为2个蓄电池组分别设计了2个荷电检测单元用以检测2个蓄电池组的剩余容量，当光伏发电装置开始工作时，协调控制模块首先根据2个荷电检测单元的检测信号比较2个蓄电池组的剩余容量大小，并通过2个开关组的切换将剩余容量较小的蓄电池组与光伏发电装置线路连接，使光伏发电电能最大程度被储存，同时，将剩余容量较大的蓄电池组与直流母线连接，以释放出更多的光伏发电电能为列车运行提供动力。综上所述，本发明既能充分地利用光伏发电电能为城轨列车运行提供能量，又能有效避免光伏发电电能对直流母线电压的稳定性和可靠性造成影响，从而避免对列车正常运行造成不良后果。
另一方面，与直流母线连接的蓄电池组还能与超级电容器组一起作为混合储能单元，对列车运行过程中的制动能量进行再生利用。现有技术中，主要是利用滤波器将列车制动或牵引瞬时功率的低频部分配给蓄电池组，利用蓄电池组缓慢充放电来抑制稳态运行过程中缓慢的电能变化；而高频部分则分配给超级电容器组，利用超级电容器组快速充放电来抑制各种扰动过程中快速的电能变化，减轻功率波动对直流母线和蓄电池组的冲击。然而，这种粗放的分配方式并没有考虑蓄电池组和超级电容器组的荷电状态即剩余容量，也没有考虑列车制动产生的能量瞬时功率大小，以及列车启动牵引所需要的电能瞬时功率的大小，如果仅仅是对列车制动再生能量按频率进行简单地分配，不仅会因为对列车再生制动能量的吸收储存不充分从而造成再生能量的浪费，还会在列车启动、牵引需要储能单元释放能量时，由于能量释放不足需要从交流电网中获取能量，以至于无法实现对再生制动能量的有效利用从而达到节约能源的目的，对储能单元也是一种浪费。例如：列车制动时，如果当次列车制动产生的再生能量较多，而此时蓄电池的剩余容量较大，超级电容器组的剩余容量较小，如果按现有技术简单的分配方式，就有可能因为蓄电池组对分配能量的低频部分吸收不完，出现无法吸收的低频能量，超级电容器组即使还有存储空间也无能为力的情况，从而造成再生制动能量的浪费。
本发明中，每次光伏发电装置启动并工作时，协调控制模块都是选择剩余容量较大的蓄电池组接入直流母线，由于蓄电池组的剩余容量大、储能空间小，当列车制动时，可将制动能量的低频部分分配一些给超级电容器组吸收，当列车启动牵引时，又可让蓄电池除了释放低频能量外，还释放部分高频能量给列车牵引提供动力。发明人根据列车每次制动时的吸收功率低频分量PLFC1及超级电容器组当次的剩余容量SOCSC制作模糊推理表一，采用模糊推理得到超级电容器组对吸收功率低频分量PLFC1的当前分担系数α，进而计算出超级电容吸收功率Psc1和蓄电池吸收功率Pbat1；根据列车每次牵引所需释放功率高频分量PHFC2及第一蓄电池组当次的剩余容量SOCbat制作模糊推理表二，采用模糊推理得到第一蓄电池组对释放功率高频分量PHFC2的当前分担系数β，进而计算出蓄电池释放功率Pbat2和超级电容释放功率Psc2；上述每次对能量吸收或释放时的能量分配方式，由于是考虑了当次制动能量或所需牵引能量的大小、蓄电池组的剩余容量和超级电容器组的剩余容量，对制动能量的再生和利用更合理、充分。
另外，采用两套蓄电池组还有一个好处是，当其中一个蓄电池组发生故障需要更换时，可通过协调控制模块将其与线路断开，将另一个蓄电池组接入直流母线进行储能、放电，这样在更换故障蓄电池组时，不会造成直流母线的电压波动，从而保障列车的正常运行。
由此可见，本发明具有如下的有益效果：采用本发明所述的***和方法，既能充分利用光伏发电为列车行驶和牵引变电站用电设备提供绿色环保的清洁能源，又不会影响城轨列车供电***的稳定性和可靠性，从而保证城轨列车的正常运行；同时还能将蓄电池和超级电容器组结合起来，对城轨列车再生制动能量进行更充分、更合理的利用，一方面使直流母线电压更稳定，另一方面减少列车从交流电网吸收的电能，从而实现有效降低列车运营成本的目的。
附图说明
本发明的附图说明如下。
附图1本发明所述城轨列车再生能量综合利用***的结构示意图；
附图2为实施例中第一开关组的结构示意图；
附图3为实施例中第二开关组的结构示意图。
图中：1、光伏发电装置；2、DC/DC变换器；3、第一开关组；4、5、蓄电池组；6、7、荷电检测单元；8、第二开关组；9、第二DC/DC双向变换器；10、第一DC/DC双向变换器；11、超级电容器组；12、直流母线；13、逆变器；14、用电设备；31、第一开关；32、第二开关；81、第三开关；82、第四开关；83、第五开关；84、第六开关。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
如附图1所示的城轨列车再生能量综合利用***的结构示意图，包括城轨列车接触网的直流母线12和超级电容储能单元；所述超级电容储能单元包括超级电容器组11和第一DC/DC双向变换器10，所述第一DC/DC双向变换器10的高压侧与所述直流母线12连接，所述第一DC/DC双向变换器10的低压侧与超级电容器组11连接；第一DC/DC双向变换器10用于实现超级电容器组11与直流母线12间的能量流动；
本***还包括光伏发电储能***和协调控制模块；所述光伏发电储能***与直流母线12连接；所述协调控制模块能控制超级电容储能单元和光伏发电储能***二者与直流母线12间的能量流动，协调控制模块还能控制光伏发电储能***内部的能量流动，以及协调控制模块能控制光伏发电储能***与牵引变电站的用电设备14之间的能量流动；
所述光伏发电储能***包括光伏发电装置1、逆变器13、DC/DC变换器2、第二DC/DC双向变换器9、2个开关组、2个蓄电池组4、5和2个荷电检测单元6、7；所述光伏发电装置1设置在城轨列车车站屋顶上或其他采光充足的建筑物上；所述DC/DC变换器2与光伏发电装置1连接；所述2个蓄电池组4、5均通过第一开关组3与DC/DC变换器2连接；2个蓄电池组4、5均通过第二开关组8与第二DC/DC双向变换器9的低压侧连接，2个蓄电池组4、5均通过第二开关组8与逆变器13的直流侧连接；第二DC/DC双向变换器9的高压侧与所述直流母线12连接；逆变器13的交流侧与城轨列车牵引变电站的用电设备14连接；所述2个荷电检测单元6、7分别与2个蓄电池组4、5连接，用于分别检测2个蓄电池组4、5的剩余容量；
所述光伏发电装置1用于将光能转化为电能输出；
所述DC/DC变换器2用于将光伏发电装置1输出的电能传输给蓄电池组充电；
所述第二DC/DC双向变换器9用于实现蓄电池组与直流母线12间的能量流动；
所述逆变器13能将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供城轨列车牵引变电站内的用电设备14使用；
如附图2所示的第一开关组结构示意图和附图3所示的第二开关组结构示意图，所述第一开关组3包括第一开关31和第二开关32；通过第一开关31可以控制蓄电池组4与DC/DC变换器2的连接状态，通过第二开关32可以控制蓄电池组5与DC/DC变换器2的连接状态；所述第二开关组8包括第三开关81、第四开关82、第五开关83和第六开关87；通过第三开关81可以控制蓄电池组4与第二DC/DC双向变换器9的连接状态；通过第四开关82可以控制蓄电池组4与逆变器13的连接状态；通过第五开关83可以控制蓄电池组5与第二DC/DC双向变换器9的连接状态；通过控制第六开关84可以控制蓄电池组5与逆变器13的连接状态；所述连接状态包括连通和断开；
所述协调控制模块存储有直流母线12的上限电压值和下限电压值数据；协调控制模块还能对输入数据或信号进行处理并输出相应的控制信号；协调控制模块的输入数据或信号包括：光伏发电装置1的工作状态信号、直流母线12实际电压、2个蓄电池组4、5的剩余容量、超级电容器组11的剩余容量、列车运行模式信号、列车的瞬时牵引功率和瞬时制动功率；协调控制模块的输出信号包括：2个开关组的控制信号，DC/DC变换器2的控制信号，2个DC/DC双向变换器的控制信号，逆变器13的控制信号；所述光伏发电装置1的工作状态包括发电状态和停机状态；所述列车运行模式包括制动、牵引、巡航和惰行。
本发明所述城轨列车再生能量综合利用***的控制方法包括：
(一)当光伏发电装置1开始发电时，
1)首先光伏发电装置1将发电状态信号发送给协调控制模块；
2)协调控制模块收到所述发电状态信号后即采集2个荷电检测单元6、7的检测信号，并对2个蓄电池组4、5的剩余容量进行比较，将剩余容量大的蓄电池组记为第一蓄电池组，将剩余容量小的蓄电池组记为第二蓄电池组；本实施例以蓄电池组4的剩余容量大于蓄电池组5的容量为例，下文中将蓄电池组4记为第一蓄电池组4，将蓄电池组5记为第二蓄电池组5；
3)然后，协调控制模块控制第一开关组3同时进行如下几个操作：选通第二开关32将第二蓄电池组5与DC/DC变换器2连通，关断第一开关31将第一蓄电池组4与DC/DC变换器2断开；同时，协调控制模块控制第二开关组8同时进行如下几个操作：选通第六开关将第二蓄电池组5与逆变器13连通，关断第三开关83将第二蓄电池组5与第二DC/DC双向变换器9断开，选通第三开关81将第一蓄电池组4与第二DC/DC双向变换器9连通，关断第四开关82将第一蓄电池组4与逆变器13断开；
4)然后，协调控制模块控制DC/DC变换器2工作，将光伏发电装置1输出的电能传送给第二蓄电池组5充电，同时，协调控制模块控制逆变器13工作在逆变状态，将第二蓄电池组5的电能传输给所述用电设备14使用；
同时，协调控制模块按方法一控制所述直流母线12、超级电容器组11和第一蓄电池组4三者间的能量流动；
(二)当光伏发电装置1停止发电时，
A)首先，光伏发电装置1将所述停机状态信号发送给协调控制模块；
B)协调控制模块收到所述停机状态信号后即控制第一开关31和第二开关32均关断，使第一蓄电池组4和第二蓄电池组5均与DC/DC变换器2断开；同时，协调控制模块控制第第三开关81至第六开关82均关断，使第一蓄电池组4和第二蓄电池组5均与第二DC/DC双向变换器9断开，同时使第一蓄电池组4和第二蓄电池组5均与逆变器13断开；
所述方法一包括：
a)当列车制动时，列车将制动运行模式信号发送给协调控制模块；协调控制模块收到列车制动运行模式信号后，立即采集所述直流母线12当前的实际电压值和列车当前的瞬时制动功率Pt1值数据，并将当前的实际电压值与所述上限电压值进行比较，当直流母线12当前的实际电压值大于或等于上限电压值时，协调控制模块即对列车当前的瞬时制动功率Pt1进行分配，得到蓄电池吸收功率Pbat1和超级电容吸收功率Psc1，然后协调控制模块根据所述Pbat1和Psc1对制动能量进行分配分别得到蓄电池吸收能量和超级电容吸收能量；然后协调控制模块控制第一DC/DC双向变换器10和第二DC/DC双向变换器9均工作在降压模式，并将超级电容吸收能量通过第一DC/DC双向变换器10传输给超级电容器组11吸收，将蓄电池吸收能量通过第二DC/DC双向变换器9传输给第一蓄电池组吸收；所述超级电容吸收功率Psc1按公式一获取，所述蓄电池吸收功率Pbat1按公式二获取；
所述公式一为：
Psc1＝PHFC1+α·PLFC1
其中，PHFC1为吸收功率高频分量，PHFC1按公式三获取；PLFC1为吸收功率低频分量，PLFC1按公式四获取；α为超级电容器组11对吸收功率低频分量PLFC1的当前分担系数，α根据模糊推理表一采用模糊推理获取；
所述公式二为：
Pbat1＝(1-α)·PLFC1
所述公式三为：
Figure BDA0001968010790000111
其中，ω1为Pt1的频率；ω2为高通滤波器截止频率，ω2为设定值；
所述公式四为：
PLFC1＝Pt1-PHFC1
所述模糊推理表一为：
Figure BDA0001968010790000112
其中SOCSC为超级电容器组11当前的剩余容量；
PLFC1、SOCSC和α三者的模糊论域均为{S，M，B}，其中S表示小，M表示适中，B表示大；
b)当列车牵引时，列车将牵引运行模式信号发送给协调控制模块；协调控制模块收到列车牵引运行模式信号后，立即采集所述直流母线12当前的实际电压值和列车当前牵引所需的瞬时牵引功率Pt2值数据，并将当前的实际电压值与所述下限电压值进行比较，当直流母线12当前的实际电压值小于或等于下限电压值时，协调控制模块即对当前的瞬时牵引功率Pt2进行分配，得到蓄电池释放功率Pbat2和超级电容释放功率Psc2，然后协调控制模块根据所述Pbat2和Psc2对所需牵引能量进行分配分别得到蓄电池释放能量和超级电容释放能量；然后协调控制模块控制第一DC/DC双向变换器10和第二DC/DC双向变换器9均工作在升压模式，并从超级电容器组11将所述超级电容释放能量通过第一DC/DC双向变换器10传输给直流母线12，从第一蓄电池组将所述蓄电池释放能量通过第二DC/DC双向变换器9传输给直流母线12；所述蓄电池释放功率Pbat2按公式五获取，所述超级电容释放功率Psc2按公式六获取；
所述公式五为：
Pbat2＝PLFC2+β·PHFC2
其中，PLFC2为释放功率低频分量，PLFC2按公式七获取；PHFC2为释放功率高频分量，PHFC2按公式八获取；β为第一蓄电池组对释放功率高频分量PHFC2的当前分担系数，β根据模糊推理表二采用模糊推理获取；
所述公式六为：
Psc2＝(1-β)·PHFC2
所述公式七为：
Figure BDA0001968010790000121
其中，ω3为Pt2的频率；ω4为低通滤波器截止频率，ω4为设定值；
所述公式四为：
PHFC2＝Pt2-PLFC2
所述模糊推理表二为：
Figure BDA0001968010790000131
其中SOCbat为第一蓄电池组当前的剩余容量；
PHFC2、SOCbat和β三者的模糊论域均为{T，C，L}，其中T表示小，C表示适中，L表示大；
c)当列车处于巡航或惰行模式，或者虽然列车处于制动或牵引运行模式，但协调控制模块所采集的直流母线12当前的实际电压值大于下限电压值且小于上限电压值时，协调控制模块控制超级电容器组11和第一蓄电池组二者与直流母线12间不进行能量流动。
本发明中应用到的模糊推理理论为现有技术中十分常见的处理手段，相关的内容，本领域技术人员可从现有技术的相关文献中获取。

Claims (1)

1.一种城轨列车再生能量综合利用***的控制方法，其特征在于：所涉及的硬件包括城轨列车接触网的直流母线(12)和超级电容储能单元；所述超级电容储能单元包括超级电容器组(11)和第一DC/DC双向变换器(10)，所述第一DC/DC双向变换器(10)的高压侧与所述直流母线(12)连接，所述第一DC/DC双向变换器(10)的低压侧与超级电容器组(11)连接；所涉及的硬件还包括光伏发电储能***和协调控制模块；所述光伏发电储能***与直流母线(12)连接；所述协调控制模块能控制超级电容储能单元和光伏发电储能***二者与直流母线(12)间的能量流动，协调控制模块还能控制光伏发电储能***内部的能量流动，以及协调控制模块能控制光伏发电储能***与牵引变电站的用电设备(14)之间的能量流动；
所述光伏发电储能***包括光伏发电装置(1)、逆变器(13)、DC/DC变换器(2)、第二DC/DC双向变换器(9)、2个开关组、2个蓄电池组(4、5)和2个荷电检测单元(6、7)；所述DC/DC变换器(2)与光伏发电装置(1)连接；所述2个蓄电池组(4、5)均通过第一开关组(3)与DC/DC变换器(2)连接；2个蓄电池组(4、5)均通过第二开关组(8)与第二DC/DC双向变换器(9)的低压侧连接，2个蓄电池组(4、5)均通过第二开关组(8)与逆变器(13)的直流侧连接；第二DC/DC双向变换器(9)的高压侧与所述直流母线(12)连接；逆变器(13)的交流侧与城轨列车牵引变电站的用电设备(14)连接；所述2个荷电检测单元(6、7)分别与2个蓄电池组(4、5)连接，用于分别检测2个蓄电池组(4、5)的剩余容量；
所述光伏发电装置(1)用于将光能转化为电能输出；
所述DC/DC变换器(2)用于将光伏发电装置(1)输出的电能传输给蓄电池组充电；
所述第一DC/DC双向变换器(10)用于实现超级电容器组(11)与直流母线(12)间的能量流动；
所述第二DC/DC双向变换器(9)用于实现蓄电池组与直流母线(12)间的能量流动；
所述逆变器(13)能将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供城轨列车牵引变电站内的用电设备(14)使用；
所述第一开关组(3)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与DC/DC变换器(2)的连接状态；所述第二开关组(8)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与第二DC/DC双向变换器(9)的连接状态；所述第二开关组(8)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与逆变器(13)的连接状态；所述连接状态包括连通和断开；
所述协调控制模块存储有直流母线(12)的上限电压值和下限电压值数据；协调控制模块还能对输入数据或信号进行处理并输出相应的控制信号；协调控制模块的输入数据或信号包括：光伏发电装置(1)的工作状态信号、直流母线(12)实际电压、2个蓄电池组(4、5)的剩余容量、超级电容器组(11)的剩余容量、列车运行模式信号、列车的瞬时牵引功率和瞬时制动功率；协调控制模块的输出信号包括：2个开关组的控制信号、DC/DC变换器(2)的控制信号、2个DC/DC双向变换器的控制信号、逆变器(13)的控制信号；所述光伏发电装置(1)的工作状态包括发电状态和停机状态；所述列车运行模式包括制动、牵引、巡航和惰行；
所述的控制方法包括：
(一)当光伏发电装置(1)开始发电时，
1)首先光伏发电装置(1)将发电状态信号发送给协调控制模块；
2)协调控制模块收到所述发电状态信号后即采集2个荷电检测单元(6、7)的检测信号，并对2个蓄电池组(4、5)的剩余容量进行比较，将剩余容量大的蓄电池组记为第一蓄电池组，将剩余容量小的蓄电池组记为第二蓄电池组；
3)然后，协调控制模块控制第一开关组(3)同时进行如下几个操作：将第二蓄电池组与DC/DC变换器(2)连通，将第一蓄电池组与DC/DC变换器(2)断开；同时，协调控制模块控制第二开关组(8)同时进行如下几个操作：将第二蓄电池组与逆变器(13)连通，将第二蓄电池组与第二DC/DC双向变换器(9)断开，将第一蓄电池组与第二DC/DC双向变换器(9)连通，将第一蓄电池组与逆变器(13)断开；
4)然后，协调控制模块控制DC/DC变换器(2)工作，将光伏发电装置(1)输出的电能传送给第二蓄电池组充电，同时，协调控制模块控制逆变器(13)工作在逆变状态，将第二蓄电池组的电能传输给所述用电设备(14)使用；
同时，协调控制模块按方法一控制所述直流母线(12)、超级电容器组(11)和第一蓄电池组三者间的能量流动；
(二)当光伏发电装置(1)停止发电时，
A)首先光伏发电装置(1)将所述停机状态信号发送给协调控制模块；
B)协调控制模块收到所述停机状态信号后即控制第一开关组(3)使2个蓄电池组(4、5)均与DC/DC变换器(2)断开；同时，协调控制模块控制第二开关组(8)使2个蓄电池组(4、5)均与第二DC/DC双向变换器(9)断开；同时，协调控制模块控制第二开关组(8)使2个蓄电池组(4、5)均与逆变器(13)断开；
所述方法一包括：
a)当列车制动时，列车将制动运行模式信号发送给协调控制模块；协调控制模块收到列车制动运行模式信号后，立即采集所述直流母线(12)当前的实际电压值和列车当前的瞬时制动功率Pt1值数据，并将当前的实际电压值与所述上限电压值进行比较，当直流母线(12)当前的实际电压值大于或等于上限电压值时，协调控制模块即对列车当前的瞬时制动功率Pt1进行分配，得到蓄电池吸收功率Pbat1和超级电容吸收功率Psc1，然后协调控制模块根据所述Pbat1和Psc1对制动能量进行分配分别得到蓄电池吸收能量和超级电容吸收能量；然后协调控制模块控制第一DC/DC双向变换器(10)和第二DC/DC双向变换器(9)均工作在降压模式，并将超级电容吸收能量通过第一DC/DC双向变换器(10)传输给超级电容器组(11)吸收，将蓄电池吸收能量通过第二DC/DC双向变换器(9)传输给第一蓄电池组吸收；所述超级电容吸收功率Psc1按公式一获取，所述蓄电池吸收功率Pbat1按公式二获取；
所述公式一为：
Psc1＝PHFC1+α·PLFC1
其中，PHFC1为吸收功率高频分量，PHFC1按公式三获取；PLFC1为吸收功率低频分量，PLFC1按公式四获取；α为超级电容器组(11)对吸收功率低频分量PLFC1的当前分担系数，α根据模糊推理表一采用模糊推理获取；
所述公式二为：
Pbat1＝(1-α)·PLFC1
所述公式三为：
Figure FDA0003007634440000031
其中，ω1为Pt1的频率；ω2为高通滤波器截止频率，ω2为设定值；
所述公式四为：
PLFC1＝Pt1-PHFC1
所述模糊推理表一为：
Figure FDA0003007634440000041
其中SOCSC为超级电容器组(11)当前的剩余容量；
PLFC1、SOCSC和α三者的模糊论域均为{S，M，B}，其中S表示小，M表示适中，B表示大；
b)当列车牵引时，列车将牵引运行模式信号发送给协调控制模块；协调控制模块收到列车牵引运行模式信号后，立即采集所述直流母线(12)当前的实际电压值和列车当前牵引所需的瞬时牵引功率Pt2值数据，并将当前的实际电压值与所述下限电压值进行比较，当直流母线(12)当前的实际电压值小于或等于下限电压值时，协调控制模块即对当前的瞬时牵引功率Pt2进行分配，得到蓄电池释放功率Pbat2和超级电容释放功率Psc2，然后协调控制模块根据所述Pbat2和Psc2对所需牵引能量进行分配分别得到蓄电池释放能量和超级电容释放能量；然后协调控制模块控制第一DC/DC双向变换器(10)和第二DC/DC双向变换器(9)均工作在升压模式，并从超级电容器组(11)将所述超级电容释放能量通过第一DC/DC双向变换器(10)传输给直流母线(12)，从第一蓄电池组将所述蓄电池释放能量通过第二DC/DC双向变换器(9)传输给直流母线(12)；所述蓄电池释放功率Pbat2按公式五获取，所述超级电容释放功率Psc2按公式六获取；
所述公式五为：
Pbat2＝PLFC2+β·PHFC2
其中，PLFC2为释放功率低频分量，PLFC2按公式七获取；PHFC2为释放功率高频分量，PHFC2按公式八获取；β为第一蓄电池组对释放功率高频分量PHFC2的当前分担系数，β根据模糊推理表二采用模糊推理获取；
所述公式六为：
Psc2＝(1-β)·PHFC2
所述公式七为：
Figure FDA0003007634440000051
其中，ω3为Pt2的频率；ω4为低通滤波器截止频率，ω4为设定值；
所述公式四为：
PHFC2＝Pt2-PLFC2
所述模糊推理表二为：
Figure FDA0003007634440000052
其中SOCbat为第一蓄电池组当前的剩余容量；
PHFC2、SOCbat和β三者的模糊论域均为{T，C，L}，其中T表示小，C表示适中，L表示大；
c)当列车处于巡航或惰行模式，或者虽然列车处于制动或牵引运行模式，但协调控制模块所采集的直流母线(12)当前的实际电压值大于下限电压值且小于上限电压值时，协调控制模块控制超级电容器组(11)和第一蓄电池组二者与直流母线(12)间不进行能量流动。
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光伏发电***接入城市轨道交通供电***模式研究;倪卫标等;《城市轨道交通研究》;20141110(第11期);第78-81页,85页及图6 *

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