[发明专利]一种超级电容储能式城轨车辆充电控制装置及方法

权利要求书

1.一种超级电容储能式城轨车辆充电控制装置，其特征在于，包括与电源连接的变压器，所述变压器连接有两个并联的BUCK支路，所述两个BUCK支路均接入城轨车辆的一个超级电容组；所述BUCK支路包括与所述变压器连接的整流桥模块、与所述整流桥模块并联的滤波电容模块、与所述滤波电容模块并联的续流二极管支路；所述整流器模块与所述滤波电容模块之间接有开关器件；两个BUCK支路的续流二极管支路一端通过各通过一个储能电感接入城轨车辆的一个超级电容组；所述整流桥模块通过电压传感器接入控制模块，所述控制模块控制所述开关器件的开断；所述控制模块通过电流传感器与所述储能电感输出端连接。

2.根据权利要求1所述的超级电容储能式城轨车辆充电控制装置，其特征在于，所述开关器件为IGBT。

3.一种利用权利要求1或2所述控制装置控制超级电容储能式城轨车辆充电的方法，其特征在于，该方法为：

1）建立以下目标函数模型：

J(D(k),x(k))=Σp=0P||Qϵ(k+p|k)||2s.t.0≤dm(k)≤0.9;m=1,2il,m(k)+dm(k)lm-dm(k)uc(k)lm≤il,max′;]]>

其中，ε(k+p|k)为k时刻估计的k+p时刻的ε值，ε(k+p|k)=[i_l1(k+p|k)-i_ref(k+p|k),i_l2(k+p|k)-i_ref(k+p|k),Δi_diff(k+p|k)]^T；i_l1(k+p|k)，i_l2(k+p|k)分别为k时刻估计的k+p时刻的两个BUCK支路的储能电感电流，i_l1(k+p|k)=C₁x(k+p|k),i_l2(k+p|k)=C₂x(k+p|k)；x(k+p|k)=Φpx(k)+Σn=1pΦn-1ΨD(k+p-n),]]>C₁=[1 0 0 0],C₂=[0 1 0 0]；

x(k+p|k)为k时刻估计的k+p时刻的状态量，D(k+p-n)为k+p-n时刻的预测输出序列；i_ref(k+p|k)为k时刻估计的两个BUCK支路的第k+p时刻的总参考输出电流，i_ref(k+p)=i(k)+[I_set-i(k)](1-e^-pT/τ)；p=1,2；P=2；I_set=900A；i(k)为两个BUCK支路的实际输出电流之和；T=1ms；τ代表参考输出电流的时间常数；Δi_diff(k+p|k)=|i_l1(k+p|k)-i_l2(k+p|k)|-i_l,diff,ref，i_l,diff,ref=30A；权重矩阵Q=diag(q₁,q₂,q₃)，q₁=q₂=2,q₃=1；s.t.表示约束条件；d_m(k)为k时刻两个BUCK支路的占空比；i'_l,max=i_l,max/v_s，v_s为电源电压，i_l,max为储能电感的电流额定值；i_l,m(k)表示第m个BUCK支路的开关器件由阻断恢复到开通时刻的储能电感电流；l_m为第m个BUCK支路的储能电感值；u_c(k)为k时刻的控制装置输出电压；x(k)为k时刻的状态量；x(k)=[i_l1(k) i_l2(k) v(k) u_c(k)]^T，u_c(k)、v(k)分别为k时刻超级电容组电压及由电压传感器测得的电压变化率；D(k)=[d₁(k),d₂(k)]^T；

2）优化上述目标函数模型，得到优化后的目标函数模型J(D(k),x(k))=||J1TJ2T||2:]]>

J1=q1(Ψ11d1(k)-(iref(k+1)-Φ1x(k)))q2(Ψ21d2(k)-(iref(k+1)-Φ2x(k)))q3(|Φ1x(k)-Φ2x(k)+(Ψ11d1(k)-Ψ21d2(k))|-il,diff,ref);]]>

J2=q1(Ψ11d1(k+1)+Φ1Ψ11d1(k)-(iref(k+2)-Φ12x(k)))q2(Ψ21d2(k+1)+Φ2Ψ21d2(k)-(iref(k+2)-Φ22x(k)))q3(|(Φ12-Φ22)x[k]+Ψ11(Φ1d1[k]+d1[k+1])-Ψ21(Φ2d2[k]+d2[k+1])|-il,diff,ref);]]>

其中，Ψ₁₁、Ψ₂₁分别为输入矩阵Ψ的第1行第1个元素和第2行第1个元素；Φ₁、Φ₂分别为系统矩阵Φ的第1行向量和第2行向量；

Ψ=0.1995-0.0004-0.00370-0.00040.1995-0.00370T;Φ=0.9952-0.0044-0.0001-0.1991-0.00440.9952-0.0001-0.19910.00100.00101.0000-0.0078000.00101.0000;]]>

3）将优化后的目标函数模型代入步骤1）中的目标函数模型中，利用内点法求解目标函数模型，得到D(k)的控制估计序列，即D(k+p-n)在不同p值下得到的序列，取所述控制估计序列的第一行，即得到k时刻的最优占空比输入，从而控制BUCK支路输出期望电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中，τ的取值为T的50至200倍。