柴電雙模混合動力動車組能量管理策略研究

李 暢,齊 彪,呂志龍,易曉丹,張寶珍

中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

21世紀以來,軌道交通系統日益電氣化,但電氣化鐵路與非電氣化鐵路共存的現象仍將長時間持續[1-3]。本文提出的柴電雙模混合動力動車組進一步將鐵路有網區段和無網區段有效連接起來,該動車組既能利用外部電源(線路接觸網),又能利用車載內燃動力包或儲能電源進行牽引,不僅體現了環保性能,還實現了電氣化區段與非電氣化區段的一體化,是混合動力動車組發展的新趨勢。此種新型的動車組產品,在我國支線鐵路及非電氣化線路較多的發展中國家有著廣闊的應用前景。

柴電雙模混合動力動車組采用一些不同的方式改進單一的內燃動力源,分為柴油-蓄電池混合動力系統和燃料電池混合動力系統[4]。能量管理是混合動力系統控制的核心問題和關鍵技術,主要分為基于規則的算法和基于優化的算法。基于規則的算法須事先制定判斷規則,策略的制定一般依靠數學模型、開發者的經驗和統計駕駛員的直覺習慣等。基于優化的算法以優化控制理論為基礎,通過為控制系統設定成本函數并使其最小化來實現最優分配,可分為局部優化和全局優化[5-6]。由于此種動車組利用了多種形式的能量源,本文基于對其能量流動情況分析和功率分配的管理進行研究,從系統架構、能量流動特性和功率分配等方面詳細闡述柴電雙模混合動力動車組能量管理策略。

1 能量流動的系統架構

由于采用不同的能量形式,柴電雙模混合動力動車組總共設計2個動力單元,每個牽引單元有單獨的高壓受流系統,包括受電弓、變壓器等。在柴油動力包模式下,每個牽引單元配備單獨動力包,同時每個單元配備1個儲能電源。主電路示意圖如圖1所示。

圖1 柴電雙模混合動力牽引主電路示意圖

柴電雙模混合動力動車組的主變壓器原邊是經過車頂高壓設備(受電弓和主斷)獲得電能,而變流器的四象限整流器由主變壓器的次邊牽引繞組供電,進而將電能傳遞給電壓型PWM逆變器。DCU對牽引逆變器進行單獨控制,每個變流器包含兩路整流-逆變單元,軸控的實現是逆變后的電能向1臺異步牽引電動機供電。列車制動產生電能回饋電網的過程與之相反。主電路主要由網側電路、主變壓器、主變流器和牽引電機組成。

當柴電雙模混合動力動車組列車在無電區時,主斷路器斷開降受電弓,通過開關箱切換,進入柴油機動力包供能模式,通過三相整流(復用兩路四象限的三個整流橋臂),給后端逆變器供能,驅動牽引電機;或通過儲能電源,經過DC-DC并聯接入中間直流環節,給后端供電。

2 能量流動特性

在電氣化線路和非電氣化線路運行時,柴電雙模混合動力動車組將采用不同的能量源進行牽引,因此混合動力系統工作模式和能量流動方式在不同線路上運行時具有顯著差異。本文將分別介紹有接觸網和無接觸網運行時的能量流動情況。

2.1 有接觸網區段運行

當柴電雙模混合動力動車組在電氣化線路上運行時,列車動力將由弓網系統接收的變電所電能提供,此時柴油機不工作且車載儲能電源(如蓄電池,超級電容等)承擔輔助供電的作用。在車載儲能電源需要充電的工況下,電能通過弓網、變壓器、變流器及DC/DC變換器等變換后對車載儲能電源進行補充恢復。如上文所述,動車組列車在制動工況下產生的再生能量是經過牽引逆變器和DC/DC變換器轉換后反饋到儲能裝置或經接觸網回收,此時電機起到發電機的作用。在有接觸網運行條件下的功率流動關系如圖2所示。

圖2 柴電雙模混合動力動車組觸網供電模式功率流動示意圖

柴電雙模混合動力動車組運行在接觸網區段的功率流動關系可用下式表示。

P2=P1+P3-P4

(1)

式中:P2為折算到中間直流環節的列車需求功率;P1為接觸網經過變壓器和4象限的輸出功率;P3為車載儲能電源經過DC/DC之后的輸出/輸入功率;P4為輔助逆變器功率。

2.2 無接觸網區段運行

柴電雙模混合動力動車組列車運行在無接觸網區段時,牽引系統切換到柴油動力包供能模式,此時由柴油機轉換的化石能源為動車組列車提供牽引能量。根據能量耦合方式劃分,該內電式柴電混合動力系統屬于串聯型,此時列車的需求功率很大程度上影響了具體的能量流動方式,進而控制了動力包發電機的啟停與動力電池系統充放電的選擇。在無接觸網區段運行時功率流動關系如圖3所示。

圖3 柴電雙模混合動力動車組柴油動力包供電模式功率流動示意圖

柴電雙模混合動力動車組運行在無接觸網區段的功率流動關系可用下式表示。

P2=P5+P3-P4

(2)

式中:P2為折算到中間直流環節的列車需求功率;P3為車載儲能電源經過DC/DC之后的輸出/輸入功率;P4為輔助逆變器功率;P5為柴油動力包發電機經整流后輸出到中間直流母線的功率。

3 功率分配

為了保證動車組在不同線路(有接觸網和無接觸網)上運行時都具有較高的節能減排效果,需要對不同的動力來源和功率流動進行控制與優化分配,因此能量管理分配系統也是動車組運行狀態的控制管理樞紐。能量管理策略的核心系統也是對能量分配的管理,是實現混合動力列車低能耗和低排量的關鍵。目前,工程上應用較多的主要有基于規則和基于優化2類。基于規則方法的能量管理策略是根據工程經驗或者數學模型提前定義好規則,控制單元結合一定的輸入條件,根據規則控制能量流動和功率分配。由于此種方法較簡單、可靠性高,較易于應用在工程實踐,因此,柴電雙模混合動力動車組擬采用基于規則的能量管理策略。

按照上文對列車不同工作模式功率流動的分析,柴電雙模混合動力動車組功率分配(能量管理)策略也按觸網供電模式和無觸網供電模式2種模式進行設計。

3.1 觸網供電模式下的能量分配

觸網供電模式下能量管理策略大體可分為2個基本步驟,即需求功率申請和不同能量源之間的功率分配。需求功率計算主要綜合考慮列車實時車速、司機控制器手柄級位等因素。功率分配主要確定是否使用車載儲能電源輸出能量。管理策略的基本流程如圖4所示。

圖4 柴電雙模混合動力動車組觸網供電模式能量管理流程

步驟1:需求功率計算。

假設柴電雙模混合動力動車組的實時車速為v,司機控制器手柄牽引級位為s,車輛滿級位牽引力為F,則實時牽引功率為:

P1=s×F×v/3.6

(3)

假定整車輔助功率為P2,那么需求功率為兩者之和為:

P3=P2+P1

(4)

步驟2:功率分配算法。

功率分配主要是制定分配規則,由于車載儲能電源在體積和重量上的限制,造成其電量有限,因此功率分配圍繞的規則是“優先使用電網,儲能電源做功率補充”。以儲能電源SOC和步驟1中需求功率作為分配的判斷條件,具體每種情況下對應的分配結果見圖4。

需要注意的是,上述功率分配算法環節,如果變壓器的容量配置大于單個牽引單元功率,那么將不會出現電網和車載儲能電源同時輸出的情況。

3.2 無觸網模式下的能量分配

無觸網供電模式下能量管理策略和觸網供電模式下的類似,大體可分為2個基本步驟,即需求功率申請和不同能量源之間的功率分配。需求功率計算主要綜合考慮列車實時車速、司機控制器手柄級位等因素,功率分配主要確定是否使用車載儲能電源輸出能量。同理,依據的規則也是“優先柴油機動力包功率輸出,車載儲能電源補充”的管理策略,基本流程如圖5所示。

圖5 柴電雙模混合動力動車組無觸網供電模式能量管理流程

步驟1和步驟2的計算方法和過程與觸網供電模式下類似。功率分配的結果包括動力包供能模式、儲能電源充電模式和混合動力模式等。

本章能量分配管理是基于對能量來源的系統架構和能量流動情況進行分析的。柴電雙模混合動力動車組建議采用基于規則方法的能量管理策略,在不同工況下(有無接觸網供電)根據工程經驗、數學模型定義規則,控制單元結合一定的輸入條件控制能量流動和功率分配,進而實現車輛在優良動力性能前提下同時還具有較好的節能減排效果。

4 結束語

在實現軌道交通系統全面電氣化之前,混合動力動車組可作為節能減排的手段和方法,因此對于在非電氣化區段,傳統混合動力動車組可基于內燃動車組進行改進。柴電雙模混合動力動車組既能運用于電氣化線路又能運用于非電氣化線路,具有很強的線路適應性。因此,本文對柴電雙模混合動力動車組的關鍵核心系統——能量管理策略進行了研究,提出了柴電雙模混合動力動車組的牽引系統總體架構,并對不同運行模式(有接觸網和無接觸網)下的能量流動特性和功率分配進行了詳細研究,并提出了不同供電模式功率流動方式和能量管理架構,對于發揮鐵路動車組運輸節能、環保、高效等特點具有非常重要的意義,有利于促進混合動力動車組的發展。