[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

说明书

本发明提出一种电气化铁路车载混合式储能系统及其能量管理方法，设计了一种放置于电力机车上的大容量高功率超级电容‑钛酸锂混合储能系统，该系统包括直流馈线、直流母线、双向DC/DC变换器、超级电容储能单元、钛酸锂电池储能单元，该系统与电力机车四象限整流器与PWM逆变器之间的直流母线连接，实现不同功率下的再生制动能量吸收，同时该车载混合式储能系统可以在区域性接触网永久性故障、变电所失电等应急情况下向车内输出再生能量维持基本电力需求，在一定程度上解决了电气化铁路地面式储能系统能量传输损耗大，供电灵活性较低，在接触网故障情况下难以向电力机车供电的不足之处，提升再生制动能量的利用效率。

技术领域

本发明涉及电气化铁路储能技术领域，尤其涉及一种电气化铁路车载混合式储能系统及能量管理方法。

背景技术

随着路网规模的持续扩大，铁路电气化率的持续升高，庞大的电力机车保有量带来了巨大的电力能量消耗，因此如何有效节能减耗，实现能源精细化管理，降低电气化铁路能耗成本具有现实的重要意义。当电力机车在坡道区段下坡行驶时，列车通常采取再生制动策略，手柄级位归零，列车的势能与动能通过工作在发电机状态下的牵引电机以电能的方式返送回接触网，而这部分再生能量目前有三种消耗方式：1)机车采用制动电阻将再生制动能量以热能的形式消耗；2)再生制动能量通过接触网传输给同一供电臂上的其他车辆进行消耗；3)返送回电力系统，这部分能量通常采取不计或正计。方法1与方法3没有有效利用再生制动能量，造成能量流失，而方法2对行车规划的要求高，在实际操作中再生制动能量的利用效率很低。

为缓解再生制动能量利用率低的问题，专利《一种电气化铁路储能式牵引供电系统及其控制方法》(公开号：CN110829435A)公开了一种地面式储能方案，该系统能有效提升电能质量，但其储能介质单一，未考虑多储能介质的协同配合，难以同时兼顾能量密度与功率密度；专利《一种牵引负荷削峰填谷的储能控制方法》(公开号：CN109149611A)公开了一种地面式储能系统结构，能实现再生制动能量的回收，但再生制动能量的传输需要经过接触网，由于接触网阻抗的存在会造成传输损耗，同时在接触网故障情况下难以向电力机车供电，存在一定局限性；专利《一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法》(公开号：CN111864774A)公开了一种适用于同相供电的混合储能系统，有一定削峰填谷的效果，但电路结构较为简单，仅设置2个充放电基准值，对混合储能系统的控制较为粗糙，缺乏在列车不同工况下各储能系统的定量输出，未考虑与列车与接触网能量的协同配合问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种电气化铁路车载混合式储能系统及能量管理方法，解决了电气化车载式混合式储能系统结构设计和超级电容-钛酸锂电池混合储能系统能量管理方法等问题。

本发明提出了电气化铁路车载混合式储能系统及其能量管理方法，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，电气化铁路车载混合式储能系统结构如附图图1所示。

所述的电气化铁路车载混合式储能系统适用于采用交-直-交供电结构的电力机车，且交流-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，包括以下步骤：