李 暢,齊 彪,呂志龍,易曉丹,張寶珍

中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

21世紀(jì)以來(lái),軌道交通系統(tǒng)日益電氣化,但電氣化鐵路與非電氣化鐵路共存的現(xiàn)象仍將長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)[1-3]。本文提出的柴電雙模混合動(dòng)力動(dòng)車組進(jìn)一步將鐵路有網(wǎng)區(qū)段和無(wú)網(wǎng)區(qū)段有效連接起來(lái),該動(dòng)車組既能利用外部電源(線路接觸網(wǎng)),又能利用車載內(nèi)燃動(dòng)力包或儲(chǔ)能電源進(jìn)行牽引,不僅體現(xiàn)了環(huán)保性能,還實(shí)現(xiàn)了電氣化區(qū)段與非電氣化區(qū)段的一體化,是混合動(dòng)力動(dòng)車組發(fā)展的新趨勢(shì)。此種新型的動(dòng)車組產(chǎn)品,在我國(guó)支線鐵路及非電氣化線路較多的發(fā)展中國(guó)家有著廣闊的應(yīng)用前景。

柴電雙模混合動(dòng)力動(dòng)車組采用一些不同的方式改進(jìn)單一的內(nèi)燃動(dòng)力源,分為柴油-蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)和燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)[4]。能量管理是混合動(dòng)力系統(tǒng)控制的核心問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù),主要分為基于規(guī)則的算法和基于優(yōu)化的算法?；谝?guī)則的算法須事先制定判斷規(guī)則,策略的制定一般依靠數(shù)學(xué)模型、開(kāi)發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)駕駛員的直覺(jué)習(xí)慣等?；趦?yōu)化的算法以優(yōu)化控制理論為基礎(chǔ),通過(guò)為控制系統(tǒng)設(shè)定成本函數(shù)并使其最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)分配,可分為局部?jī)?yōu)化和全局優(yōu)化[5-6]。由于此種動(dòng)車組利用了多種形式的能量源,本文基于對(duì)其能量流動(dòng)情況分析和功率分配的管理進(jìn)行研究,從系統(tǒng)架構(gòu)、能量流動(dòng)特性和功率分配等方面詳細(xì)闡述柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組能量管理策略。

1 能量流動(dòng)的系統(tǒng)架構(gòu)

由于采用不同的能量形式,柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組總共設(shè)計(jì)2個(gè)動(dòng)力單元,每個(gè)牽引單元有單獨(dú)的高壓受流系統(tǒng),包括受電弓、變壓器等。在柴油動(dòng)力包模式下,每個(gè)牽引單元配備單獨(dú)動(dòng)力包,同時(shí)每個(gè)單元配備1個(gè)儲(chǔ)能電源。主電路示意圖如圖1所示。

圖1 柴電雙?；旌蟿?dòng)力牽引主電路示意圖

柴電雙模混合動(dòng)力動(dòng)車組的主變壓器原邊是經(jīng)過(guò)車頂高壓設(shè)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(jìn)而將電能傳遞給電壓型PWM逆變器。DCU對(duì)牽引逆變器進(jìn)行單獨(dú)控制,每個(gè)變流器包含兩路整流-逆變單元,軸控的實(shí)現(xiàn)是逆變后的電能向1臺(tái)異步牽引電動(dòng)機(jī)供電。列車制動(dòng)產(chǎn)生電能回饋電網(wǎng)的過(guò)程與之相反。主電路主要由網(wǎng)側(cè)電路、主變壓器、主變流器和牽引電機(jī)組成。

當(dāng)柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組列車在無(wú)電區(qū)時(shí),主斷路器斷開(kāi)降受電弓,通過(guò)開(kāi)關(guān)箱切換,進(jìn)入柴油機(jī)動(dòng)力包供能模式,通過(guò)三相整流(復(fù)用兩路四象限的三個(gè)整流橋臂),給后端逆變器供能,驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī);或通過(guò)儲(chǔ)能電源,經(jīng)過(guò)DC-DC并聯(lián)接入中間直流環(huán)節(jié),給后端供電。

2 能量流動(dòng)特性

在電氣化線路和非電氣化線路運(yùn)行時(shí),柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組將采用不同的能量源進(jìn)行牽引,因此混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式和能量流動(dòng)方式在不同線路上運(yùn)行時(shí)具有顯著差異。本文將分別介紹有接觸網(wǎng)和無(wú)接觸網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的能量流動(dòng)情況。

2.1 有接觸網(wǎng)區(qū)段運(yùn)行

當(dāng)柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組在電氣化線路上運(yùn)行時(shí),列車動(dòng)力將由弓網(wǎng)系統(tǒng)接收的變電所電能提供,此時(shí)柴油機(jī)不工作且車載儲(chǔ)能電源(如蓄電池,超級(jí)電容等)承擔(dān)輔助供電的作用。在車載儲(chǔ)能電源需要充電的工況下,電能通過(guò)弓網(wǎng)、變壓器、變流器及DC/DC變換器等變換后對(duì)車載儲(chǔ)能電源進(jìn)行補(bǔ)充恢復(fù)。如上文所述,動(dòng)車組列車在制動(dòng)工況下產(chǎn)生的再生能量是經(jīng)過(guò)牽引逆變器和DC/DC變換器轉(zhuǎn)換后反饋到儲(chǔ)能裝置或經(jīng)接觸網(wǎng)回收,此時(shí)電機(jī)起到發(fā)電機(jī)的作用。在有接觸網(wǎng)運(yùn)行條件下的功率流動(dòng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組觸網(wǎng)供電模式功率流動(dòng)示意圖

柴電雙模混合動(dòng)力動(dòng)車組運(yùn)行在接觸網(wǎng)區(qū)段的功率流動(dòng)關(guān)系可用下式表示。

P2=P1+P3-P4

(1)

式中:P2為折算到中間直流環(huán)節(jié)的列車需求功率;P1為接觸網(wǎng)經(jīng)過(guò)變壓器和4象限的輸出功率;P3為車載儲(chǔ)能電源經(jīng)過(guò)DC/DC之后的輸出/輸入功率;P4為輔助逆變器功率。

2.2 無(wú)接觸網(wǎng)區(qū)段運(yùn)行

柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組列車運(yùn)行在無(wú)接觸網(wǎng)區(qū)段時(shí),牽引系統(tǒng)切換到柴油動(dòng)力包供能模式,此時(shí)由柴油機(jī)轉(zhuǎn)換的化石能源為動(dòng)車組列車提供牽引能量。根據(jù)能量耦合方式劃分,該內(nèi)電式柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)屬于串聯(lián)型,此時(shí)列車的需求功率很大程度上影響了具體的能量流動(dòng)方式,進(jìn)而控制了動(dòng)力包發(fā)電機(jī)的啟停與動(dòng)力電池系統(tǒng)充放電的選擇。在無(wú)接觸網(wǎng)區(qū)段運(yùn)行時(shí)功率流動(dòng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組柴油動(dòng)力包供電模式功率流動(dòng)示意圖

柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組運(yùn)行在無(wú)接觸網(wǎng)區(qū)段的功率流動(dòng)關(guān)系可用下式表示。

P2=P5+P3-P4

(2)

式中:P2為折算到中間直流環(huán)節(jié)的列車需求功率;P3為車載儲(chǔ)能電源經(jīng)過(guò)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(dòng)力包發(fā)電機(jī)經(jīng)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(dòng)車組在不同線路(有接觸網(wǎng)和無(wú)接觸網(wǎng))上運(yùn)行時(shí)都具有較高的節(jié)能減排效果,需要對(duì)不同的動(dòng)力來(lái)源和功率流動(dòng)進(jìn)行控制與優(yōu)化分配,因此能量管理分配系統(tǒng)也是動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)的控制管理樞紐。能量管理策略的核心系統(tǒng)也是對(duì)能量分配的管理,是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力列車低能耗和低排量的關(guān)鍵。目前,工程上應(yīng)用較多的主要有基于規(guī)則和基于優(yōu)化2類。基于規(guī)則方法的能量管理策略是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或者數(shù)學(xué)模型提前定義好規(guī)則,控制單元結(jié)合一定的輸入條件,根據(jù)規(guī)則控制能量流動(dòng)和功率分配。由于此種方法較簡(jiǎn)單、可靠性高,較易于應(yīng)用在工程實(shí)踐,因此,柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組擬采用基于規(guī)則的能量管理策略。

按照上文對(duì)列車不同工作模式功率流動(dòng)的分析,柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組功率分配(能量管理)策略也按觸網(wǎng)供電模式和無(wú)觸網(wǎng)供電模式2種模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 觸網(wǎng)供電模式下的能量分配

觸網(wǎng)供電模式下能量管理策略大體可分為2個(gè)基本步驟,即需求功率申請(qǐng)和不同能量源之間的功率分配。需求功率計(jì)算主要綜合考慮列車實(shí)時(shí)車速、司機(jī)控制器手柄級(jí)位等因素。功率分配主要確定是否使用車載儲(chǔ)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(dòng)力動(dòng)車組觸網(wǎng)供電模式能量管理流程

步驟1:需求功率計(jì)算。

假設(shè)柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組的實(shí)時(shí)車速為v,司機(jī)控制器手柄牽引級(jí)位為s,車輛滿級(jí)位牽引力為F,則實(shí)時(shí)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(guī)則,由于車載儲(chǔ)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(guī)則是“優(yōu)先使用電網(wǎng),儲(chǔ)能電源做功率補(bǔ)充”。以儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的分配結(jié)果見(jiàn)圖4。

需要注意的是,上述功率分配算法環(huán)節(jié),如果變壓器的容量配置大于單個(gè)牽引單元功率,那么將不會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)和車載儲(chǔ)能電源同時(shí)輸出的情況。

3.2 無(wú)觸網(wǎng)模式下的能量分配

無(wú)觸網(wǎng)供電模式下能量管理策略和觸網(wǎng)供電模式下的類似,大體可分為2個(gè)基本步驟,即需求功率申請(qǐng)和不同能量源之間的功率分配。需求功率計(jì)算主要綜合考慮列車實(shí)時(shí)車速、司機(jī)控制器手柄級(jí)位等因素,功率分配主要確定是否使用車載儲(chǔ)能電源輸出能量。同理,依據(jù)的規(guī)則也是“優(yōu)先柴油機(jī)動(dòng)力包功率輸出,車載儲(chǔ)能電源補(bǔ)充”的管理策略,基本流程如圖5所示。

圖5 柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組無(wú)觸網(wǎng)供電模式能量管理流程

步驟1和步驟2的計(jì)算方法和過(guò)程與觸網(wǎng)供電模式下類似。功率分配的結(jié)果包括動(dòng)力包供能模式、儲(chǔ)能電源充電模式和混合動(dòng)力模式等。

本章能量分配管理是基于對(duì)能量來(lái)源的系統(tǒng)架構(gòu)和能量流動(dòng)情況進(jìn)行分析的。柴電雙模混合動(dòng)力動(dòng)車組建議采用基于規(guī)則方法的能量管理策略,在不同工況下(有無(wú)接觸網(wǎng)供電)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型定義規(guī)則,控制單元結(jié)合一定的輸入條件控制能量流動(dòng)和功率分配,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛在優(yōu)良動(dòng)力性能前提下同時(shí)還具有較好的節(jié)能減排效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)全面電氣化之前,混合動(dòng)力動(dòng)車組可作為節(jié)能減排的手段和方法,因此對(duì)于在非電氣化區(qū)段,傳統(tǒng)混合動(dòng)力動(dòng)車組可基于內(nèi)燃動(dòng)車組進(jìn)行改進(jìn)。柴電雙模混合動(dòng)力動(dòng)車組既能運(yùn)用于電氣化線路又能運(yùn)用于非電氣化線路,具有很強(qiáng)的線路適應(yīng)性。因此,本文對(duì)柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組的關(guān)鍵核心系統(tǒng)——能量管理策略進(jìn)行了研究,提出了柴電雙?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組的牽引系統(tǒng)總體架構(gòu),并對(duì)不同運(yùn)行模式(有接觸網(wǎng)和無(wú)接觸網(wǎng))下的能量流動(dòng)特性和功率分配進(jìn)行了詳細(xì)研究,并提出了不同供電模式功率流動(dòng)方式和能量管理架構(gòu),對(duì)于發(fā)揮鐵路動(dòng)車組運(yùn)輸節(jié)能、環(huán)保、高效等特點(diǎn)具有非常重要的意義,有利于促進(jìn)混合動(dòng)力動(dòng)車組的發(fā)展。