混合动力机车及其能量平衡控制方法与系统与流程

本发明属于混合动力控制
技术领域：
，尤其涉及一种混合动力机车及其能量平衡控制方法与系统。
背景技术：
：近年来，世界各国对于新型交通轨道车辆的研究不断加深，美国交通部、德国西门子集团和加拿大庞巴迪集团相继提出的柴油-电力动车组的设想，通过大功率柴油机组合储能元件组成混合动力系统，在加速时同时使用柴油机—发电机组（又称内燃动力包）和储能系统提供牵引力，如图1所示。动力包可以为柴油机发电机组或同步发电机组。在目前的混合动力机车中，部分动力包产生的电能传送至中间直流回路时，其电压会随着负载进行波动，而为了满足储能元件放电的需要，其中间直流回路电压往往抬升较大。虽然一般会对动力包的控制采用控制其转速达到节省能源的目的，但是基本的混合动力控制方式为满足了现场应用的需要，通常中间直流回路电压抬升较大，会产生大转速，低功率消耗，造成了转速与功率消耗匹配性差的问题。因此，造成在发挥储能元件充放电可利用率上偏低，动力包功率发挥不彻底，能源利用率较低，无法真正实现混合动力的匹配控制。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明提供一种混合动力机车及其能量平衡控制方法与系统，以解决动力包与储能元件自适应匹配的问题。本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种混合动力机车的能量平衡控制方法，包括：步骤1：根据负载功率计算出所有负载所需功率的期望值；步骤2：根据储能元件的可发挥功率和电量确定储能元件的预发挥功率；步骤3：根据所述所有负载所需功率的期望值和储能元件的预发挥功率计算动力包所需发挥功率；步骤4：根据所述动力包所需发挥功率计算动力包的转速，并控制动力包达到所述转速；步骤5：根据所述动力包的转速确定中间直流回路的电压；步骤6：以所述中间直流回路的电压为电压目标值，将动力包实际输出电压与所述电压目标值进行比较，如果动力包实际输出电压高于所述电压目标值，则对储能元件充电，否则储能元件放电，使动力包实际输出电压维持在所述电压目标值。本发明所述能量平衡控制方法，通过动力包所需发挥功率计算动力包的转速，并使动力包以该转速运行，使动力包的功率得到充分发挥，提高了在该功率下的效率；当动力包实际输出电压高于电压目标值时，将多余的能量存储在储能元件中，在保证动力包功率充分发挥的同时避免了能源浪费，当动力包实际输出电压低于电压目标值时，储能元件释放能量为负载提供能量，避免了动力包过载；该控制方法通过转速与功率的自适应匹配，使能源利用率最大化，通过对储能元件的充放电控制，实现了动力包实际输出电压的动态平衡控制，避免了能源的浪费和动力包过载，将该方法应用到混合动力机车上，对机车运行稳定性以及节能环保起到重要的作用，使混合动力机车由原来的手动档机车变为自动档机车。进一步地，所述步骤1中，所有负载所需功率的期望值等于每个负载功率以及裕量之和。进一步地，所述步骤2中，设e储为储能元件的电量，e总为储能元件的总电量，p可为储能元件的可发挥功率，p预为储能元件的预发挥功率；当e储≥70%×e总时，p预=p可；当50%×e总≤e储＜70%×e总时，p预=60%×p可；当30%×e总≤e储＜50%×e总时，p预=20%×p可；当10%×e总≤e储＜30%×e总时，p预=－20%×p可；当e储＜10%×e总时，p预=－60%×p可。这种设置方式避免了储能元件长时间处于满功率工作状态，当储能元件的预发挥功率为负数时，表明期望对储能元件进行充电，而不是放电。进一步地，所述步骤3中，动力包所需发挥功率等于所有负载所需功率的期望值与储能元件的预发挥功率之差。进一步地，所述步骤5中，根据动力包的转速确定该转速下额定功率发挥时的电压，再由该转速下额定功率发挥时的电压计算中间直流回路的电压，具体计算公式为：u中=1.28×u额其中，u中为动力包转速所对应的中间直流回路的电压，u额为动力包转速下额定功率发挥时的电压。本发明还提供一种混合动力机车的能量平衡控制系统，包括：负载功率计算单元，用于根据负载功率计算出所有负载所需功率的期望值；预发挥功率确定单元，用于根据储能元件的可发挥功率和电量确定储能元件的预发挥功率；动力包所需发挥功率计算单元，用于根据所述所有负载所需功率的期望值和储能元件的预发挥功率计算动力包所需发挥功率；转速计算单元，用于根据所述动力包所需发挥功率计算动力包的转速，并控制动力包达到所述转速；电压确定单元，用于根据所述动力包的转速确定中间直流回路的电压；控制单元，用于以所述中间直流回路的电压为电压目标值，将动力包实际输出电压与所述电压目标值进行比较，如果动力包实际输出电压高于所述电压目标值，则对储能元件充电，否则储能元件放电，使动力包实际输出电压维持在所述电压目标值。本发明还提供一种混合动力机车，包括如上所述能量平衡控制系统。有益效果与现有技术相比，本发明所提供的一种混合动力机车及其能量平衡控制方法与系统，通过动力包所需发挥功率计算动力包的转速，并使动力包以该转速运行，使动力包的功率得到充分发挥，提高了在该功率下的效率；当动力包实际输出电压高于电压目标值时，将多余的能量存储在储能元件中，在保证动力包功率充分发挥的同时避免了能源浪费，当动力包实际输出电压低于电压目标值时，储能元件释放能量为负载提供能量，避免了动力包过载；该控制方法通过转速与功率的自适应匹配，使能源利用率最大化，通过对储能元件的充放电控制，实现了动力包实际输出电压的动态平衡控制，避免了能源的浪费和动力包过载，将该方法应用到混合动力机车上，对机车运行稳定性以及节能环保起到重要的作用，使混合动力机车由原来的手动档机车变为自动档机车。附图说明为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明
背景技术：
中混合动力机车的混合动力系统电气连接示意图；图2是本发明实施例中部分控制流程图。具体实施方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1本发明所提供的一种混合动力机车的能量平衡控制方法，包括：1、根据负载功率计算出所有负载所需功率的期望值。混合动力机车通过动力包和储能系统提供牵引力，以供负载正常工作，保证机车的稳定运行，因此所有负载所需功率的期望值等于每个负载功率以及裕量之和，即所有负载所需功率的期望值=牵引功率+辅助功率+列车供电功率+…+裕量（1）本实施例中，裕量为20kw。2、根据储能元件的可发挥功率和电量确定储能元件的预发挥功率。可发挥功率是指储能元件在设计时允许发挥的最大功率，预发挥功率是指储能元件在工作时预计能够发挥的功率。本实施例中，储能元件为蓄电池或超级电容。设e储为储能元件的电量，e总为储能元件的总电量，p可为储能元件的可发挥功率，p预为储能元件的预发挥功率；当e储≥70%×e总时，p预=p可；当50%×e总≤e储＜70%×e总时，p预=60%×p可；当30%×e总≤e储＜50%×e总时，p预=20%×p可；当10%×e总≤e储＜30%×e总时，p预=－20%×p可；当e储＜10%×e总时，p预=－60%×p可。储能元件的电量越高，储能元件所承担的预发挥功率越大，电量越低，所承担的预发挥功率越小，这种设置方式避免了储能元件长时间处于满功率工作状态，当储能元件的预发挥功率为负数时，表明期望对储能元件进行充电，而不是放电；当储能元件的预发挥功率为正数时，表明储能元件可以发挥能量以提供部分牵引力。3、根据所有负载所需功率的期望值和储能元件的预发挥功率计算动力包所需发挥功率，具体计算公式为：p动=p总-p预（2）其中，p总为所有负载所需功率的期望值，p动为动力包所需发挥功率。4、根据动力包所需发挥功率计算动力包的转速，并控制动力包达到该转速。（根据发电机组转速与功率之间的关系可以计算出在所需发挥功率下的最佳转速，使动力包的工作效率最大化）在传统的控制方法中，由于动力包的限制，动力包的实际输出电压将根据负载的变化而变化，在同一转速下，如果动力包能够发挥该转速所对应的额定功率，则效率最高，如果动力包实际输出电压降低到一定值后，将会超过其负载造成动力包异常停机的现象；即如果实际输出电压高于转速下额定功率发挥时的电压，则功率发挥不充分，导致效率低，如果实际输出电压低于转速下额定功率发挥时的电压，则超过动力包的负载，使其过载工作，只有在实际输出电压等于转速下额定功率发挥时的电压时，功率发挥最完全而又不至于过载，因此，对中间直流回路的电压控制是至关重要的。根据动力包所需发挥功率实时计算动力包的转速，使动力包尽快达到该转速，提高了动力包的工作效率，再通过动态转速确定中间直流回路的电压。根据动力包的功率与转速之间的正比关系，可以计算出不同所需发挥功率下的转速，提高了动力包的工作效率。5、根据动力包的转速确定中间直流回路的电压。根据动力包的转速确定该转速下额定功率发挥时的电压，再由该转速下额定功率发挥时的电压计算中间直流回路的电压，具体计算公式为：u中=1.28×u额（3）其中，u中为动力包转速所对应的中间直流回路的电压，u额为动力包转速下额定功率发挥时的电压。本实施例中，以8极永磁发电机为例，转速与该转速下额定功率发挥时的电压的对应关系如表1所示，例如，当转速为1800，1800转速下额定功率发挥时的电压为645v。表1转速与该转速下额定功率发挥时的电压的对应关系转速（r/min）80010001200140016001800电压（v）3143804475145786456、以中间直流回路的电压为电压目标值，将动力包实际输出电压与电压目标值进行比较，如果动力包实际输出电压高于电压目标值，则对储能元件充电，否则储能元件放电，使动力包实际输出电压维持在电压目标值，如图2所示。储能元件充放电灵活，对于动力包实际输出电压高于电压目标值的部分能量，可以通过对储能元件进行充电来收集能量，避免了能源的浪费，对于动力包实际输出电压低于电压目标值的部分能量，可以通过对储能元件进行放电，由储能元件来提供该部分能量，避免了动力包的过载。由于车辆负载情况和动力包过载能力并不是完全相同，因此，电压目标值可以设定一个范围，例如，电压目标值等于中间直流回路的电压+允许变化值，当动力包实际输出电压高于中间直流回路的电压+允许变化值时，储能元件充电，当动力包实际输出电压低于中间直流回路的电压－允许变化值时，储能元件放电。本实施例中，允许变化值为5v或10v。本发明的能量平衡控制方法，根据动力包所需发挥功率实时计算其转速，并使动力包以该转速运行，大大提高了动力包的工作效率，再通过动力包的转速确定中间直流回路的电压，并以中间直流回路的电压为控制目标，对储能元件进行充放电控制，既避免了能源的浪费，又避免了动力包过载现象；通过所有负载所需功率的期望值的不断变化来实时调整动力包的转速，使动力包的转速与所需发挥功率自适应匹配，保证了动力包具有较高的工作效率，使能源利用率最大化，通过对储能元件的充放电控制，实现了动力包实际输出电压的动态平衡控制，避免了能源的浪费和动力包过载，将该方法应用到混合动力机车上，对机车运行稳定性以及节能环保起到重要的作用，使混合动力机车由原来的手动档机车变为自动档机车。本发明还提供一种混合动力机车的能量平衡控制系统，包括：负载功率计算单元，用于根据负载功率计算出所有负载所需功率的期望值；预发挥功率确定单元，用于根据储能元件的可发挥功率和电量确定储能元件的预发挥功率；动力包所需发挥功率计算单元，用于根据所述所有负载所需功率的期望值和储能元件的预发挥功率计算动力包所需发挥功率；转速计算单元，用于根据所述动力包所需发挥功率计算动力包的转速，并控制动力包达到所述转速；电压确定单元，用于根据所述动力包的转速确定中间直流回路的电压；控制单元，用于以所述中间直流回路的电压为电压目标值，将动力包实际输出电压与所述电压目标值进行比较，如果动力包实际输出电压高于所述电压目标值，则对储能元件充电，否则储能元件放电，使动力包实际输出电压维持在所述电压目标值。实施例2（1）计算负载所需功率的期望值设牵引功率为200kw，辅助功率为50kw，列车供电功率为100kw，裕量为20kw，根据式（1）可求得所有负载所需功率的期望值为370kw。（2）确定储能元件的预发挥功率设储能元件的可发挥功率为250kw，电量为80%，则储能元件的预发挥功率为150kw。（3）计算动力包所需发挥功率根据式（2）得到动力包所需发挥功率将为220kw。（4）确定转速根据转速与功率的正比关系，220kw对应的转速值为1000r/min。（5）确定中间直流回路的电压根据表1可知，转速为1000r/min时的额定工况下的电压为380v，根据式（3）得到中间直流回路的电压为486.4v。（6）储能元件的控制设电压目标值为486+10v，当动力包实际输出电压高于496v时，可以为储能元件充电，当动力包实际输出电压低于476v时，可以由储能元件放电进行能量补充，以维持动力包输出电压在486+10v范围内，防止了动力包过载，又可最大程度实现能源利用最大化，避免了能源浪费。实施例3（1）计算负载所需功率的期望值设牵引功率为100kw，辅助功率为50kw，列车供电功率为100kw，裕量为20kw，根据式（1）可求得所有负载所需功率的期望值为270kw。（2）确定储能元件的预发挥功率设储能元件的可发挥功率为250kw，电量为20%，则储能元件的预发挥功率为－50kw。（3）计算动力包所需发挥功率根据式（2）得到动力包所需发挥功率将为320kw。（4）确定转速根据转速与功率的正比关系，320kw对应的转速值为1200r/min。（5）确定中间直流回路的电压根据表1可知，转速为1200r/min时的额定工况下的电压为447v，根据式（3）得到中间直流回路的电压为572.1v。（6）储能元件的控制设电压目标值为572+5v，当动力包实际输出电压高于577v时，可以为储能元件充电，当动力包实际输出电压低于567v时，可以由储能元件放电进行能量补充，以维持动力包输出电压在572+5v范围内，防止了动力包过载，又可最大程度实现能源利用最大化，避免了能源浪费。以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3 

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