本發(fā)明涉及機車制動控制技術領域，尤其涉及一種機車自適應混合制動控制方法。

背景技術：

實際工程應用中，在同一個機務段經常存在不同車型同時使用的情況，不同車型因為采用技術的不同，因而各自的工作電壓波動范圍可能不同，如舊式車型通常為17KV～30KV，新式車型則為17KV～31KV。當機車處于制動工況時，目前通常不考慮同一供電區(qū)間的車輛編組情況，由機車將制動回饋能量直接回饋至電網(wǎng)，以實現(xiàn)能量的回收。

考慮到變電所容量都是有限設計，回饋能量使得線路網(wǎng)壓會被抬升，而當同一供電區(qū)間多機車同時處于制動工況時，由于不同車型的工作電壓波動范圍不同，上述制動控制方式則可能導致線路網(wǎng)壓超過機車所允許的工作范圍，干擾工作電壓波動范圍小(如舊式車型)的正常運用，對機車的系統(tǒng)造成損害。即上述制動控制方式，電網(wǎng)能量流動、電網(wǎng)電壓變化不可控，無法實現(xiàn)電網(wǎng)能量的靈活調節(jié)，不同車型混用時存在制動回饋能量會使得網(wǎng)壓提升超過允許范圍等風險，不同車型混用的適用性不強。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題就在于：針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種能夠基于網(wǎng)壓變化自適應實現(xiàn)混合制動控制方式，實現(xiàn)回饋電網(wǎng)能量的控制調節(jié)，且實現(xiàn)方法簡單、所需成本低、制動控制效率以及實時性高的機車自適應混合制動控制方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為：

一種機車自適應混合制動控制方法，步驟包括：

1)實時監(jiān)測目標機車所接入電網(wǎng)的電壓，當監(jiān)測到所述電網(wǎng)的電壓處于預設電壓范圍內時，轉入執(zhí)行步驟2)；

2)檢測目標機車的實時制動回饋能量，若檢測到的所述實時制動回饋能量大于預設允許回饋能量，啟動執(zhí)行混合制動控制，根據(jù)當前電網(wǎng)的電壓、預設允許回饋能量控制將所述實時制動回饋能量中部分通過制動電阻消耗、其余回饋至電網(wǎng)，直至所述制動回饋能量小于預設允許回饋能量，轉入執(zhí)行步驟3)；

3)將所述實時制動回饋能量均回饋至電網(wǎng)，返回執(zhí)行步驟1)，直至退出控制。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟2)中啟動執(zhí)行混合制動控制的具體步驟為：

2.1)預先建立電網(wǎng)的電壓與最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)之間的關系模型，所述最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)為允許回饋電網(wǎng)的能量在制動回饋能量中的最低比例系數(shù)；

2.2)由當前電網(wǎng)的電壓以及建立的所述關系模型，計算當前最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)，并根據(jù)所述實時制動回饋能量，得到當前允許回饋電網(wǎng)的能量；

2.3)根據(jù)所述實時制動回饋能量、當前允許回饋電網(wǎng)的能量，計算制動電阻所需消耗的能量，并根據(jù)計算到的制動電阻所需消耗的能量控制接入制動電阻、其余制動回饋能量回饋至電網(wǎng)。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟2.1)中關系模型具體為線性關系模型。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述線性關系模型表示為：

$P_r=\frac{U_{net}-U_{blendstart}}{U_{blendend}-U_{blendstart}}(1-{\mathrm{Percent}}_{blend})$

其中，P_r為最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)，U_net為電網(wǎng)的電壓，U_blendstart為所述預設電壓范圍的起始電壓，U_blendend為所述預設電壓范圍的結束電壓，Percent_blend為當電網(wǎng)的電壓為所述結束電壓時所對應的最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟2.3)中，具體由所述制動能量所需消耗的能量計算斬波脈沖，通過所述斬波脈沖控制斬波開關的通斷，以控制接入制動電阻消耗所需的能量。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述通過PID控制計算制動電阻所需消耗的能量的具體步驟為：由所述實時制動回饋能量作為被控量、當前允許回饋電網(wǎng)的能量作為目標量輸入至PID控制器，由PID控制器的輸出量得到制動電阻所需消耗的能量。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟2.3)中具體通過控制制動斬波開關，以控制接入制動電阻消耗所需的能量。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述控制斬波開關控制的具體步驟為：

2.3.1)控制開通制動斬波開關以接入制動電阻，并實時監(jiān)測當前斬波周期內斬波累積開通的能量；

2.3.2)當監(jiān)測到當前斬波周期內斬波累積開通的能量大于一個斬波周期內所需消耗的能量時，控制關斷斬波開關以斷開制動電阻，直至下一個斬波周期，返回執(zhí)行步驟2.3.1)；當所述制動回饋能量小于預設允許回饋能量時，轉入執(zhí)行步驟3)。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述斬波周期內斬波累積開通的能量具體按下式計算得到；

$\∫W_{chopcyc}={\∫}_0^{Tchop}(I_{chop}*U_d*T_{cyc})$

其中，T_cyc為斬波控制單周期運行時間，I_chop為斬波電流，U_d為中間回路支撐電容電壓，W_chopcyc＝I_chop*U_d*T_cyc為折算至單周期內斬波消耗的能量。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟1)中預設電壓范圍具體根據(jù)目標機車所處供電區(qū)間內各機車的允許工作范圍設定。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1)本發(fā)明機車自適應混合制動控制方法，在基于制動能量回饋的制動控制方式基礎上，考慮同一供電區(qū)間內的不同車輛編組狀況，充分利用機車自帶的制動電阻，在網(wǎng)壓、制動回饋能量超過允許范圍內時由制動電阻消耗部分回饋能量、其余回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)基于網(wǎng)壓、制動回饋能量變化的混合制動控制，能夠自適應控制調節(jié)機車的回饋電網(wǎng)能量，使得同一供電區(qū)間內可以混用不同車型，且不會產生回饋能量超過各機車所允許工作范圍的狀況；

2)本發(fā)明機車自適應混合制動控制方法，通過實時監(jiān)測目標機車所接入電網(wǎng)的電壓以及機車的實時制動回饋能量，能夠自動識別風險，以在制動回饋能量大于機車允許回饋能量時，及時啟動執(zhí)行混合制動控制，根據(jù)電網(wǎng)的電壓、允許回饋能量控制由制動電阻消耗部分回饋能量，實現(xiàn)回饋電網(wǎng)能量的調節(jié)，避免抬升電網(wǎng)電壓，能夠在車輛和變電所允許的情況，同時盡可能的將制動能量回饋電網(wǎng)，提高經濟性，達到節(jié)能減排的目的；

3)本發(fā)明機車自適應混合制動控制方法，進一步通過PID控制計算制動電阻所需消耗的能量，由PID閉環(huán)控制能夠實時根據(jù)制動回饋能量調節(jié)制動電阻所需消耗的能量，且控制實現(xiàn)精度高，從而能夠實現(xiàn)回饋電網(wǎng)能量的精確控制調節(jié)；

4)本發(fā)明機車自適應混合制動控制方法，進一步通過斬波控制消耗所需的能量，能夠實現(xiàn)機車回饋電網(wǎng)能量可控，從而可以實現(xiàn)電網(wǎng)能量流動、電網(wǎng)電壓的控制調節(jié)。

附圖說明

圖1是本實施例機車自適應混合制動控制方法的實現(xiàn)流程示意圖。

圖2是本實施例所設定的混合制動曲線示意圖。

圖3是本實施例設定混合制動激活的實現(xiàn)流程示意圖。

圖4是本實施例通過斬波控制調節(jié)制動回饋能量的實現(xiàn)流程示意圖。

圖5是本實施例所產生的斬波脈沖的波形示意圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本實施例機車自適應混合制動控制方法，步驟包括：

1)實時監(jiān)測目標機車所接入電網(wǎng)的電壓，當監(jiān)測到電網(wǎng)的電壓處于預設電壓范圍內時，轉入執(zhí)行步驟2)；

2)檢測目標機車的實時制動回饋能量，若檢測到的實時制動回饋能量大于預設允許回饋能量，啟動執(zhí)行混合制動控制，根據(jù)當前電網(wǎng)的電壓、預設允許回饋能量控制將實時制動回饋能量中部分通過制動電阻消耗、其余回饋至電網(wǎng)，直至制動回饋能量小于預設允許回饋能量，轉入執(zhí)行步驟3)；

3)將實時制動回饋能量均回饋至電網(wǎng)，返回執(zhí)行步驟1)，直至退出控制。

本實施例在基于制動能量回饋的制動控制方式基礎上，考慮同一供電區(qū)間內的不同車輛編組狀況，充分利用機車自帶的制動電阻，在網(wǎng)壓、制動回饋能量超過允許范圍內由制動電阻消耗部分回饋能量、其余回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)基于網(wǎng)壓、制動回饋能量變化的混合制動控制，能夠自適應控制調節(jié)機車的回饋電網(wǎng)能量，使得同一供電區(qū)間內可以混用不同車型，且不會產生回饋能量超過各機車所允許工作范圍的狀況。

本實施例通過實時監(jiān)測目標機車所接入電網(wǎng)的電壓以及機車的實時制動回饋能量，能夠自動識別風險，以在制動回饋能量大于機車允許回饋能量時，及時啟動執(zhí)行混合制動控制，根據(jù)電網(wǎng)的電壓、允許回饋能量控制由制動電阻消耗部分回饋能量，實現(xiàn)回饋電網(wǎng)能量的調節(jié)，避免抬升電網(wǎng)電壓，能夠在車輛和變電所允許的情況，同時盡可能的將制動能量回饋電網(wǎng)，提高經濟性，達到節(jié)能減排的目的。

本實施例中，步驟1)中預設電壓范圍具體根據(jù)目標機車所處區(qū)間內各機車的允許工作范圍設定。本實施例具體根據(jù)目標供電區(qū)間中線路運用、供電系統(tǒng)以及需要混合使用的機車類型的狀態(tài)，設定電壓范圍用于啟動混合制動控制，電壓范圍的設置包括設置電壓起始值以及電壓終止值，當監(jiān)測到電網(wǎng)的電壓處于預設電壓范圍時，表明當前網(wǎng)壓超出所允許的電壓范圍，則轉入執(zhí)行步驟2)進一步監(jiān)測機車制動回饋能量，以確定是否需要啟動混合制動控制。

本實施例中，步驟2)中啟動執(zhí)行混合制動控制的具體步驟為：

2.1)預先建立電網(wǎng)的電壓與最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)之間的關系模型，最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)為允許回饋電網(wǎng)的能量在制動回饋能量中的最低比例系數(shù)；

2.2)由當前電網(wǎng)的電壓以及建立的關系模型，計算當前最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)，并根據(jù)實時制動回饋能量，得到當前允許回饋電網(wǎng)的能量；

2.3)根據(jù)實時制動回饋能量、當前允許回饋電網(wǎng)的能量，計算制動電阻所需消耗的能量，并根據(jù)計算到的制動電阻所需消耗的能量控制接入制動電阻、其余制動回饋能量回饋至電網(wǎng)。

本實施例中，步驟2.1)中關系模型具體為線性關系模型，即最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)是基于電網(wǎng)電壓的大小線性變化，當電網(wǎng)電壓增加時，相應的線性增加最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)，以根據(jù)電網(wǎng)電壓變化自適應調整所需回饋電網(wǎng)的能量。

本實施例中，線性關系模型表示為：

$P_r=\frac{U_{net}-U_{blendstart}}{U_{blendend}-U_{blendstart}}(1-{\mathrm{Percent}}_{blend})---\left(1\right)$

其中，P_r為最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)，U_net為電網(wǎng)的電壓，U_blendstart為預設電壓范圍的起始電壓，U_blendend為預設電壓范圍的結束電壓，Percent_blend為當電網(wǎng)的電壓為結束電壓時所對應的最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)，其中U_blendend>U_blendstart。由P_r以及實時制動回饋能量即可確定得到當前允許回饋電網(wǎng)的能量P_need。以應用于最高電壓30KV的車輛中時為例，本實施例具體將U_blendstart設為29kV、U_blendend設為30KV，以及Percent_blend設為5％。

如圖2所示，本實施例線性關系模型為線性曲線，其中最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)為P_r時，制動電阻所需消耗的能量系數(shù)對應為1-P_r。首先設定當電網(wǎng)的電壓為結束電壓時所對應的最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)Percent_blend，基于Percent_blend以及U_blendend-U_blendstart(△U_blend)得到如圖所示最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)曲線，由該系數(shù)曲線即可基于實時網(wǎng)壓確定最低允許回饋電網(wǎng)的能量，當電網(wǎng)的電壓為結束電壓時制動電阻所需消耗的能量系數(shù)對應為1-Percent_blend，得到如圖所示最低制動電阻消耗能量系數(shù)曲線，由最低回饋電網(wǎng)能量系數(shù)曲線、最低制動電阻消耗能量系數(shù)曲線即得到混合制動設定曲線，用于后續(xù)執(zhí)行混合制動控制。

如圖3所示，本實施例首先基于制動功率、電網(wǎng)電壓大小設定上述混合制動設定曲線，機車制動工況時，通過傳感器采集實時制動回饋能量P_realback，由上述混合制動設定曲線中P_r以及采集到的實時制動回饋能量P_realback得到當前允許回饋電網(wǎng)的能量P_need，當實時制動回饋能量P_realback大于當前允許回饋電網(wǎng)的能量P_need，車輛激活混合制動模式，制動電阻投入工作，部分回饋能量通過制動電阻消耗；混合制動執(zhí)行過程中，當實時制動回饋能量P_realback小于等于當前允許回饋電網(wǎng)的能量P_need時，車輛自動退出混合制動模式，制動電阻切除，將制動能量全部回饋電網(wǎng)。

本實施例步驟2.3)中，具體根據(jù)實時制動回饋能量、當前允許回饋電網(wǎng)的能量，通過PID控制計算制動電阻所需消耗的能量。通過PID閉環(huán)控制計算制動電阻所需消耗的能量，能夠實時根據(jù)制動回饋能量調節(jié)制動電阻所需消耗的能量，且控制實現(xiàn)精度高，從而能夠實現(xiàn)回饋電網(wǎng)能量的精確控制調節(jié)。

本實施例中，通過PID控制計算制動電阻所需消耗的能量的具體步驟為：由實時制動回饋能量作為被控量、當前允許回饋電網(wǎng)的能量作為目標量輸入至PID控制器，由PID控制器的輸出量得到制動電阻所需消耗的能量。

采用PID控制的方式計算出制動電阻所需消耗的能量P_chop的具體表達式為：

P_error＝P_realback-P_need (2)

P_chop＝K_pP_error+K_i∫P_error+K_d(P_error-P_error-1) (3)

其中，P_realback為實時制動回饋能量，P_need為當前允許回饋電網(wǎng)的能量，P_error-1為前次控制所得到的P_error。

本實施例中，步驟2.3)中具體通過計算斬波所需消耗的能量，由斬波所需消耗的能量計算輸出斬波脈沖，控制斬波開關的通斷，以控制接入制動電阻消耗所需的能量。如圖4所示，本實施例激活混合制動控制模式時，具體通過PID控制計算斬波所需消耗的能量，由斬波所需消耗的能量計算輸出斬波脈沖至IGBT，控制斬波開關的通斷，實現(xiàn)制動回饋能量的調節(jié)。相比于傳統(tǒng)的如帶寬開通方式實現(xiàn)斬波控制時只根據(jù)中間電壓控制斬波動作，本實施例通過斬波控制消耗所需的能量，能夠實現(xiàn)機車回饋電網(wǎng)能量可控，從而可以實現(xiàn)電網(wǎng)能量流動、電網(wǎng)電壓的控制調節(jié)。

本實施例中，控制斬波開關控制的具體步驟為：

2.3.1)控制開通制動斬波開關以接入制動電阻，并實時監(jiān)測當前斬波周期內斬波累積開通的能量；

2.3.2)當監(jiān)測到當前斬波周期內斬波累積開通的能量大于一個斬波周期內所需消耗的能量時，控制關斷斬波開關以斷開制動電阻，直至下一個斬波周期，返回執(zhí)行步驟2.3.1)；當所述制動回饋能量小于預設允許回饋能量時，轉入執(zhí)行步驟3)。

本實施例中，斬波周期內斬波累積開通的能量具體按下式計算得到；

$\∫W_{chopcyc}={\∫}_0^{Tchop}(I_{chop}*U_d*T_{cyc})---\left(4\right)$

其中，T_cyc為斬波控制單周期運行時間，I_chop為斬波電流，U_d為制動系統(tǒng)中的中間回路支撐電容電壓，W_chopcyc＝I_chop*U_d*T_cyc為折算至單周期內斬波消耗的能量。

取斬波開關周期為T_chop，則在周期T內需要斬波消耗的能量W_chopneed＝P_chop*T_chop；斬波開通時，實時采集斬波電流I_chop、中間回路支撐電容電壓U_d，由式(4)即可得到當前斬波開關周期內斬波累積開通的能量∫W_chopcyc，實時判斷累積開通的能量∫W_chopcyc是否大于斬波消耗的能量W_chopneed，如果是則關斷斬波開關，得到的斬波脈沖如圖5所示。

上述只是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發(fā)明技術方案保護的范圍內。