柴电双模混合动力动车组能量管理策略研究

李 畅,齐 彪,吕志龙,易晓丹,张宝珍

中车株洲电力机车有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

21世纪以来,轨道交通系统日益电气化,但电气化铁路与非电气化铁路共存的现象仍将长时间持续[1-3]。本文提出的柴电双模混合动力动车组进一步将铁路有网区段和无网区段有效连接起来,该动车组既能利用外部电源(线路接触网),又能利用车载内燃动力包或储能电源进行牵引,不仅体现了环保性能,还实现了电气化区段与非电气化区段的一体化,是混合动力动车组发展的新趋势。此种新型的动车组产品,在我国支线铁路及非电气化线路较多的发展中国家有着广阔的应用前景。

柴电双模混合动力动车组采用一些不同的方式改进单一的内燃动力源,分为柴油-蓄电池混合动力系统和燃料电池混合动力系统[4]。能量管理是混合动力系统控制的核心问题和关键技术,主要分为基于规则的算法和基于优化的算法。基于规则的算法须事先制定判断规则,策略的制定一般依靠数学模型、开发者的经验和统计驾驶员的直觉习惯等。基于优化的算法以优化控制理论为基础,通过为控制系统设定成本函数并使其最小化来实现最优分配,可分为局部优化和全局优化[5-6]。由于此种动车组利用了多种形式的能量源,本文基于对其能量流动情况分析和功率分配的管理进行研究,从系统架构、能量流动特性和功率分配等方面详细阐述柴电双模混合动力动车组能量管理策略。

1 能量流动的系统架构

由于采用不同的能量形式,柴电双模混合动力动车组总共设计2个动力单元,每个牵引单元有单独的高压受流系统,包括受电弓、变压器等。在柴油动力包模式下,每个牵引单元配备单独动力包,同时每个单元配备1个储能电源。主电路示意图如图1所示。

图1 柴电双模混合动力牵引主电路示意图

柴电双模混合动力动车组的主变压器原边是经过车顶高压设备(受电弓和主断)获得电能,而变流器的四象限整流器由主变压器的次边牵引绕组供电,进而将电能传递给电压型PWM逆变器。DCU对牵引逆变器进行单独控制,每个变流器包含两路整流-逆变单元,轴控的实现是逆变后的电能向1台异步牵引电动机供电。列车制动产生电能回馈电网的过程与之相反。主电路主要由网侧电路、主变压器、主变流器和牵引电机组成。

当柴电双模混合动力动车组列车在无电区时,主断路器断开降受电弓,通过开关箱切换,进入柴油机动力包供能模式,通过三相整流(复用两路四象限的三个整流桥臂),给后端逆变器供能,驱动牵引电机;或通过储能电源,经过DC-DC并联接入中间直流环节,给后端供电。

2 能量流动特性

在电气化线路和非电气化线路运行时,柴电双模混合动力动车组将采用不同的能量源进行牵引,因此混合动力系统工作模式和能量流动方式在不同线路上运行时具有显著差异。本文将分别介绍有接触网和无接触网运行时的能量流动情况。

2.1 有接触网区段运行

当柴电双模混合动力动车组在电气化线路上运行时,列车动力将由弓网系统接收的变电所电能提供,此时柴油机不工作且车载储能电源(如蓄电池,超级电容等)承担辅助供电的作用。在车载储能电源需要充电的工况下,电能通过弓网、变压器、变流器及DC/DC变换器等变换后对车载储能电源进行补充恢复。如上文所述,动车组列车在制动工况下产生的再生能量是经过牵引逆变器和DC/DC变换器转换后反馈到储能装置或经接触网回收,此时电机起到发电机的作用。在有接触网运行条件下的功率流动关系如图2所示。

图2 柴电双模混合动力动车组触网供电模式功率流动示意图

柴电双模混合动力动车组运行在接触网区段的功率流动关系可用下式表示。

P2=P1+P3-P4

(1)

式中:P2为折算到中间直流环节的列车需求功率;P1为接触网经过变压器和4象限的输出功率;P3为车载储能电源经过DC/DC之后的输出/输入功率;P4为辅助逆变器功率。

2.2 无接触网区段运行

柴电双模混合动力动车组列车运行在无接触网区段时,牵引系统切换到柴油动力包供能模式,此时由柴油机转换的化石能源为动车组列车提供牵引能量。根据能量耦合方式划分,该内电式柴电混合动力系统属于串联型,此时列车的需求功率很大程度上影响了具体的能量流动方式,进而控制了动力包发电机的启停与动力电池系统充放电的选择。在无接触网区段运行时功率流动关系如图3所示。

图3 柴电双模混合动力动车组柴油动力包供电模式功率流动示意图

柴电双模混合动力动车组运行在无接触网区段的功率流动关系可用下式表示。

P2=P5+P3-P4

(2)

式中:P2为折算到中间直流环节的列车需求功率;P3为车载储能电源经过DC/DC之后的输出/输入功率;P4为辅助逆变器功率;P5为柴油动力包发电机经整流后输出到中间直流母线的功率。

3 功率分配

为了保证动车组在不同线路(有接触网和无接触网)上运行时都具有较高的节能减排效果,需要对不同的动力来源和功率流动进行控制与优化分配,因此能量管理分配系统也是动车组运行状态的控制管理枢纽。能量管理策略的核心系统也是对能量分配的管理,是实现混合动力列车低能耗和低排量的关键。目前,工程上应用较多的主要有基于规则和基于优化2类。基于规则方法的能量管理策略是根据工程经验或者数学模型提前定义好规则,控制单元结合一定的输入条件,根据规则控制能量流动和功率分配。由于此种方法较简单、可靠性高,较易于应用在工程实践,因此,柴电双模混合动力动车组拟采用基于规则的能量管理策略。

按照上文对列车不同工作模式功率流动的分析,柴电双模混合动力动车组功率分配(能量管理)策略也按触网供电模式和无触网供电模式2种模式进行设计。

3.1 触网供电模式下的能量分配

触网供电模式下能量管理策略大体可分为2个基本步骤,即需求功率申请和不同能量源之间的功率分配。需求功率计算主要综合考虑列车实时车速、司机控制器手柄级位等因素。功率分配主要确定是否使用车载储能电源输出能量。管理策略的基本流程如图4所示。

图4 柴电双模混合动力动车组触网供电模式能量管理流程

步骤1:需求功率计算。

假设柴电双模混合动力动车组的实时车速为v,司机控制器手柄牵引级位为s,车辆满级位牵引力为F,则实时牵引功率为:

P1=s×F×v/3.6

(3)

假定整车辅助功率为P2,那么需求功率为两者之和为:

P3=P2+P1

(4)

步骤2:功率分配算法。

功率分配主要是制定分配规则,由于车载储能电源在体积和重量上的限制,造成其电量有限,因此功率分配围绕的规则是“优先使用电网,储能电源做功率补充”。以储能电源SOC和步骤1中需求功率作为分配的判断条件,具体每种情况下对应的分配结果见图4。

需要注意的是,上述功率分配算法环节,如果变压器的容量配置大于单个牵引单元功率,那么将不会出现电网和车载储能电源同时输出的情况。

3.2 无触网模式下的能量分配

无触网供电模式下能量管理策略和触网供电模式下的类似,大体可分为2个基本步骤,即需求功率申请和不同能量源之间的功率分配。需求功率计算主要综合考虑列车实时车速、司机控制器手柄级位等因素,功率分配主要确定是否使用车载储能电源输出能量。同理,依据的规则也是“优先柴油机动力包功率输出,车载储能电源补充”的管理策略,基本流程如图5所示。

图5 柴电双模混合动力动车组无触网供电模式能量管理流程

步骤1和步骤2的计算方法和过程与触网供电模式下类似。功率分配的结果包括动力包供能模式、储能电源充电模式和混合动力模式等。

本章能量分配管理是基于对能量来源的系统架构和能量流动情况进行分析的。柴电双模混合动力动车组建议采用基于规则方法的能量管理策略,在不同工况下(有无接触网供电)根据工程经验、数学模型定义规则,控制单元结合一定的输入条件控制能量流动和功率分配,进而实现车辆在优良动力性能前提下同时还具有较好的节能减排效果。

4 结束语

在实现轨道交通系统全面电气化之前,混合动力动车组可作为节能减排的手段和方法,因此对于在非电气化区段,传统混合动力动车组可基于内燃动车组进行改进。柴电双模混合动力动车组既能运用于电气化线路又能运用于非电气化线路,具有很强的线路适应性。因此,本文对柴电双模混合动力动车组的关键核心系统——能量管理策略进行了研究,提出了柴电双模混合动力动车组的牵引系统总体架构,并对不同运行模式(有接触网和无接触网)下的能量流动特性和功率分配进行了详细研究,并提出了不同供电模式功率流动方式和能量管理架构,对于发挥铁路动车组运输节能、环保、高效等特点具有非常重要的意义,有利于促进混合动力动车组的发展。