[发明专利]电气化铁路车载混合式储能系统及其能量管理方法

权利要求书

1.一种电气化铁路车载混合式储能系统，其特征在于，包括两组直流馈线、两组双向半桥型DC/DC变换器、一组超级电容串并联储能单元、一组钛酸锂电池串并联储能单元、电压互感器、电流互感器；车载式混合储能系统分别从电力机车四象限整流器与PWM逆变器之间引出两组直流馈线，两组直流馈线与直流母线直接相连，两组直流母线分别引出左右两臂，各连接一组双向半桥型DC/DC变换器，两组双向半桥型DC/DC变换器经过平波电感后分别连接超级电容串并联储能单元、钛酸锂电池串并联储能单元，电压互感器与电流互感器用于实时监测机车功率；

所述的电气化铁路车载混合式储能系统其特征在于，电力机车侧采用交-直-交基本供电结构；交流-直流整流环节采用四象限整流方式，直流-交流环节采用脉冲宽度调制逆变方式；

所述的电气化铁路车载混合式储能系统的能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于超级电容储能单元最大能馈功率P_{sc_max}与钛酸锂电池储能单元最大能馈功率P_{b_max}，在储能系统能馈工况下设定三个功率阈值，P_{set_1}为第一能馈阈值，大小等于混合储能系统最大能馈功率，P_{set_2}为第二能馈阈值，大小等于超级电容储能单元最大能馈功率，P_{set_3}为第三能馈阈值，大小为钛酸锂电池储能单元最大能馈功率；

步骤2：基于超级电容储能单元最大储能功率P′_{sc_max}与钛酸锂电池储能单元最大储能功率P′_{b_max}，在储能系统储能工况下设定两个功率阈值，P′_{set_1}为第一储能阈值，大小等于混合储能系统最大储能功率，P_s′_{et_2}为第二储能阈值，大小等于超级电容储能单元最大储能功率；

步骤3：基于电压互感器与电流互感器的实时测量数据，划分系统工作模式，具体如下：

A：若机车测量功率大于零，电力机车处于牵引工况，机车牵引功率P_qy等于测量功率P_train，储能系统处于能馈工况，进行再生制动能量的释放；

a1)若机车牵引功率P_qy大于第一能馈阈值P_{set_1}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元与钛酸锂电池储能单元以最大能馈功率放电，并从接触网取能补充功率缺额，判据与功率输出如下：

a2)若机车牵引功率P_qy小于等于第一能馈阈值P_{set_1}，大于第二能馈阈值P_{set_2}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以最大功率放电，钛酸锂电池储能单元放电补充功率缺额，判据与功率输出如下：

a3)若机车牵引功率P_qy小于等于第二能馈阈值P_{set_2}，大于第三能馈阈值P_{set_3}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以机车牵引功率放电，判据与功率输出如下：

a4)若机车牵引功率P_qy小于等于第三能馈阈值P_{set_3}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使钛酸锂电池储能单元以机车牵引功率放电，判据与功率输出如下：

a5)在任意列车牵引工况下，若超级电容储能单元电荷状态SOC_sc小于等于下阈值SOC_{sc_min}，但钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元停止功率输出，钛酸锂电池储能单元以机车牵引功率或最大输出功率进行放电，判据与功率输出如下：

a6)在任意列车牵引工况下，若钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b小于等于下阈值SOC_{b_min}，但超级电容储能单元电荷状态SOC_sc在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使钛酸锂电池储能单元停止功率输出，超级电容储能单元以机车牵引功率或最大输出功率进行放电，判据与功率输出如下：

a7)在任意列车牵引工况下，若各储能单元荷电状态SOC均小于等于下阈值SOC_min，测控单元控制DC/DC变换器使储能系统停止放电，电力机车牵引能量完全来自接触网，判据与功率输出如下：

B：若机车测量功率小于零，电力机车处于再生制动工况，机车再生制动功率P_zd等于测量功率P_train的绝对值，储能系统处于储能工况，进行再生制动能量的吸收；

b1)若机车再生制动功率P_zd大于第一储能阈值P_s′_{et_1}且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元与钛酸锂电池储能单元以最大储能功率吸收电能，多余能量需返送接触网，判据与功率输出如下：

b2)若机车再生制动功率P_zd大于第二储能阈值P′_{set_2}，小于等于第一储能阈值P′_{set_1}，且各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以最大功率吸收电能，钛酸锂电池储能单元吸收多余再生制动能量，判据与功率输出如下：

b3)若机车再生制动功率P_zd小于等于第二储能阈值P′_{set_2}且大于0,各储能单元荷电状态SOC在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元以机车再生制动功率吸收电能，判据与功率输出如下：

b4)在任意列车再生制动工况下，若钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b大于等于上阈值SOC_{b_max}，但超级电容储能单元电荷状态SOC_sc在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使钛酸锂电池储能单元停止吸收再生制动能量，超级电容储能单元以机车再生制动功率或最大储能功率进行储能，判据与功率输出如下：

b5)在任意列车再生制动工况下，若超级电容储能单元电荷状态SOC_sc大于等于上阈值SOC_{sc_max}，但钛酸锂电池储能单元电荷状态SOC_b在工作范围内，测控单元控制DC/DC变换器使超级电容储能单元停止吸收再生制动能量，钛酸锂电池储能单元以机车再生制动功率或最大储能功率进行储能，判据与功率输出如下：

b6)在任意列车再生制动工况下，若各储能单元荷电状态SOC均大于等于上阈值SOC_max，则储能系统工作在空闲工况，测控单元控制DC/DC变换器使储能系统停止储能，电力机车再生制动能量完全返送接触网，判据与功率输出如下：

C：若机车测量功率等于零，电力机车处于惰行工况，储能系统工作在空闲工况，储能系统以及接触网没有功率输出。