储能式轨道列车非接触牵引供电系统的功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种储能式轨道列车非接触牵 引供电系统的功率分配方法。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)利用高频电磁场近 场耦合原理，以高频磁场作为传输介质，通过发射线圈和接收线圈间的磁场 耦合实现电能的无线传输，相比于传统的导线供电方式无电气连接，具有灵 活便捷、安全可靠等优点。

近年来，研究学者将宇称-时间(parity-time，PT)对称量子理论应用于 无线电能传输领域，申请号：201921830512.5，名称为：一种基于PT对称原 理的多频多负载无线供电系统的中国专利中，公开了基于PT对称原理设计的 无线供电系统实现多负载之间的功率分配与控制。但是，该基于PT对称原理 的多频多负载无线供电系统主要针对静态无线供电系统中多负载工况。此外 在满足PT对称原理中需要负电阻且该负电阻的阻值可调，在实现中增加了系 统的控制复杂性，无法满足动态无线供电系统的鲁棒性与响应速度需求。

申请号：201811521941.4，名称为：一种动态无线电能传输系统功率优 化分配方法及系统的中国专利中，基于静态效率最优时系统的等效电阻为基 础，计算多个线圈之间最优等效电阻比，功率分配是通过调节DC-DC变换器 占空比进行阻抗变换，调节实际的等效阻抗比值接近最优等效电阻比值，系 统各能量接收支路互感值不变且最优等效负载相近，才能实现输出总功率保 持在目标输出附近。但是，实际动态非接触供电中，副边线圈与原边线圈之 间的互感随位置变化而变化，此外列车的运动状态、重量等会影响原边线圈与副边线圈之间的距离从而影响其互感，而各副边线圈与原边线圈之间的互 感大小会限制其支路的带载能力，若带载能力较低的支路长期工作在满载或 过载状态，会导致线圈的使用寿命快速下降，并且带载能力强的支路未发挥 出其实际的带载能力，造成设计上的浪费。

现有技术中，车载储能设备与非接触牵引供电系统之间以及非接触供电 系统的副边线圈之间如何合理的进行功率的分配，成为储能式轨道列车非接 触牵引供电系统急需解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种储能式轨道列车非接触牵引供电系统的 功率分配方法，以解决现有技术中的车载储能设备与非接触牵引供电系统之 间以及非接触供电系统的副边线圈之间不能合理的进行功率的分配的问题。

为解决该问题，本发明提供了一种储能式轨道列车非接触牵引供电系统 的功率分配方法，所述功率分配方法包括：

确定原边线圈和副边线圈的耦合状态；

当耦合状态正常时，在列车行驶中，当进行脉宽调制前，获取功率模块 PU的整流输出电压，并计算所述整流输出电压和对应的副边线圈的额定输出 电压的第一比值；按照预设的功率变化量限值启动第一比值处于1与第一比 值阈值之间的PU，且按照所述第一比值与所述预设的功率变化量限值的乘积 启动第一比值处于第二比值阈值与1之间的PU；

当进行脉宽调制后，获取当前采样周期PU的最小采样电压，计算各PU 的开路电压与所述最小采样电压的第二比值；并按照预设的功率变化量限值 控制第二比值处于1与第三比值阈值的所述PU的输出功率，且控制第二比值 为1的PU的输出功率保持不变，以进行各PU的功率分配；

获取系统的需求功率，当需求功率不大于根据各PU的输出功率所确定的 系统功率与通过模糊推理规则所确定的车载储能设备的功率之和时，结束功 率分配。

在一种可能的实现方式中，所述确定原边线圈和副边线圈的耦合状态具 体包括：

列车启动行驶之前，获取各整流模块的过压保护值、欠压保护值、副边 线圈的额定输出电压和数量；

根据所述过压保护值、额定输出电压和所述数量，计算第一阈值；根据 所述欠压保护值、所述额定输出电压和所述数量，计算第二阈值；

获取各PU的采样电压；

根据所述额定输出电压、采样电压和副边线圈数量，计算采样电压与额 定输出电压的离散程度；

当所述离散程度处于根据所述第一阈值或所述第二阈值所确定的范围内 时，确定原边线圈和副边线圈的耦合状态正常；

当所述离散程度不处于根据所述第一阈值或所述第二阈值所确定的范围 内时，判断采样时间是否不大于预设的采样时间阈值；

当所述采样时间不大于预设的采样时间阈值时，继续检测各副边线圈的 采样电压；

当所述采样时间大于预设的采样时间阈值时，确定副边线圈故障。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述过压保护值、额定输出电压和 所述数量，计算第一阈值具体包括：

对每个所述整流模块的过压保护值减去所述额定输出电压后进行平方再 求和，再除以副边线圈的数量后再进行开方，得到第一阈值。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述欠压保护值、额定输出电压和 所述数量，计算第二阈值具体包括：

对每个所述整流模块的欠压保护值减去所述额定输出电压后进行平方再 求和，再除以副边线圈的数量后再进行开方，得到第二阈值。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述额定输出电压、采样电压和副 边线圈数量，计算采样电压与额定输出电压的离散程度具体包括：

对每个所述副边线圈的采样电压减去所述额定输出电压后进行平方再求 和，再除以副边线圈的数量后再进行开方，得到每个副边线圈的所述采样电 压与所述额定输出电压的离散程度。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

根据各整流模块的过压保护值与所述额定输出电压的比值，计算各PU的 第一比值阈值；所述整流模块和所述PU一一对应；

根据各整流模块的欠压保护值与所述额定输出电压的比值，计算各PU的 第二比值阈值。

在一种可能的实现方式中，所述按照预设的功率变化量限值控制第二比 值处于1与第三比值阈值的所述PU之前，所述方法还包括：

所述控制器根据当前采样周期各PU中的最大采样电压与最小采样电压的 比值，计算第三比值阈值。

在一种可能的实现方式中，所述方法之后还包括：

当需求功率大于根据各PU的输出功率确定的系统功率与通过模糊推理规 则确定的车载储能设备的功率之和时，获取当前采样周期PU的最小采样电压， 计算各PU的开路电压与所述最小采样电压的第二比值；并按照预设的功率变 化量限值控制第二比值处于1与第三比值阈值的所述PU的输出功率，且控制 第二比值为1的PU的输出功率保持不变，以进行各PU的功率的重新分配。

在一种可能的实现方式中，所述确定原边线圈和副边线圈的耦合状态之 后还包括：

当耦合状态正常时，在列车启动时，获取当前的需求功率；

根据所述需求功率和预设的模糊推理规则，确定系统和车载储能设备分 配到的功率；

获取功率模块PU的整流输出电压，并计算所述整流输出电压和对应的副 边线圈的额定输出电压的第一比值；按照预设的功率变化量限值启动第一比 值处于1与第一比值阈值之间的PU，且按照所述第一比值与所述预设的功率 变化量限值的乘积启动第一比值处于第二比值阈值与1之间的PU，以进行功 率模块的启动；

在脉宽调制后，获取当前采样周期PU的最小采样电压，计算各PU的开 路电压与所述最小采样电压的第二比值；并按照预设的功率变化量限值控制 第二比值处于1与第三比值阈值的所述PU的输出功率，且控制第二比值为1 的PU的输出功率保持不变，以使各PU对系统分配到的功率进行分配。

通过应用本发明实施例提供的轨道列车动态非接触牵引供电系统的功率 分配方法，可以在确定非接触牵引供电系统中耦合状态正常的原边线圈和副 边线圈后，对于需求功率，可以通过模糊推理规则确定非接触牵引供电系统 和车载储能设备之间的功率分配，既能充分发挥车载储能设备的作用，又可 以提高非接触牵引供电系统的能量分配效率，从而合理分配副边线圈的输出 功率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的非接触牵引供电系统的电气原理图；

图2为本发明实施例提供的副边线圈的理想等效电路图；

图3为本发明实施例提供的副边线圈的实际等效电路图；

图4为本发明实施例提供的储能式轨道列车非接触牵引供电系统的功率 分配方法流程示意图；

图5为本发明实施例提供的确定耦合状态的流程示意图；

图6A为本发明实施例提供的车载储能设备的SOC隶属度函数曲线示意图；

图6B为本发明实施例提供的需求功率隶属度函数曲线示意图；

图6C为本发明实施例提供的车轴储能设备功率隶属度函数曲线示意图；

图7为本发明实施例提供的储能式轨道列车非接触牵引供电系统的功率 分配的一个具体的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是， 此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另 外还需要说明的是，为便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1为本发明实施例提供的非接触牵引供电系统的电气原理图，非接触 牵引供电系统，后面简称系统，包括地面侧和车载侧，地面侧采用LCC谐振 拓扑，该LCC谐振拓扑优势在于原边线圈的励磁电流恒定且不受负载大小影 响，车载侧副边线圈采用串联谐振拾取电能。列车在移动过程中由原边线圈 轨道提供电能，然后副边线圈通过电磁感应原理获取感应电压，感应电压通 过整流模块进行整流后，输入DCDC模块，DCDC模块包括n个PU(Powerunit， PU)，n个PU分别与n个整流模块相连接。

其中，负载包括牵引变流器对应的牵引负载和辅助变流器对应的辅助负 载，牵引负载可以理解为与列车的牵引相关的负载，辅助负载可以理解为除 牵引负载之外，与列车的基础设施相关的负载，例如列车的空调系统，照明 系统。

列车正常运行过程中由系统为列车牵引负载和辅助负载提供能量，车载 储能设备在列车需求功率较高时与系统共同为列车提供能量。

副边线圈可以简化为恒压源，理想状态下如图2所示，但是在实际系统 中，其实际电路原理图如图3所示，恒压源内阻包括线圈内阻、谐振电容内 阻、以及高频下线圈由于趋肤效应、邻近效应等引起的交流阻抗，线圈内阻、 谐振电容内阻参见图3中的Resr,交流阻抗参见图3中的Rac。当负载需求 电流加载超过恒压源的最大电流时，会导致电压下降，从而导致整流模块的 电压随着系统负载加大而下降，为避免系统由于负载增加导致停机无法正常 工作，本申请可以充分利用耦合情况较好的副边线圈，避免耦合情况不理想 的副边线圈在额定负载下长期工作于大电流工况或导致DCDC输入电压发生欠 压故障而导致系统无法正常工作。

图4为本发明实施例提供的储能式轨道列车非接触牵引供电系统的功率 分配方法流程示意图。本申请的执行主体为控制器，控制器可以包括具有计 算功能的设备。结合图1，对本发明的功率分配方法进行详述。

步骤110，确定原边线圈和副边线圈的耦合状态。

具体的，参见图5，步骤110包括下列步骤：

步骤101，列车启动行驶之前，获取各整流模块的过压保护值、欠压保护 值、副边线圈的额定输出电压和数量；

具体的，在列车启动行驶之前，地面侧首先启动然后等待列车启动，控 制器可以采样得到PU的采样电压U

其中，额定输出电压，指的是系统中每一个副边线圈的额定输出电压， 也就是空载电压，可以通过采样得到每个副边线圈的额定输出电压Uoc1、Uoc2、 Uoc3…Uocn。

步骤102，根据过压保护值、额定输出电压和数量，计算第一阈值；根据 欠压保护值、额定输出电压和数量，计算第二阈值；

其中，步骤102包括：

步骤1021，对每个整流模块的过压保护值减去额定输出电压后进行平方 再求和，再除以副边线圈的数量后再进行开方，得到第一阈值。具体参见公 式(2)：

步骤1022，对每个整流模块的欠压保护值减去额定输出电压后进行平方 再求和，再除以副边线圈的数量后再进行开方，得到第二阈值。具体参见公 式(3)：

步骤103，获取各PU的采样电压；

其中，系统中各整流模块的输出电压，即为PU的采样电压。

步骤104，根据额定输出电压、采样电压和副边线圈数量，计算采样电压 与额定输出电压的离散程度；

具体的，对每个副边线圈的采样电压减去额定输出电压后进行平方再求 和，再除以副边线圈的数量后再进行开方，得到每个副边线圈的采样电压与 额定输出电压的离散程度。具体参见公式(4):

步骤105，当离散程度处于根据第一阈值或第二阈值所确定的范围内时， 确定原边线圈和副边线圈的耦合状态正常；

具体的，耦合状态包括耦合状态正常和耦合状态异常两种情况，对于耦 合状态正常的情况，需要满足如下公式(5)所示的条件：

α∈[0,Max{α

即控制器先要根据第一阈值和第二阈值，确定第一阈值和第二阈值中的 最大值；当离散程度处于0与最大值之间时，确定原边线圈与副边线圈耦合 正常。

步骤106，当离散程度不处于根据第一阈值或第二阈值所确定的范围内时， 判断采样时间是否不大于预设的采样时间阈值；

其中，如果α∈[0,Max{α

步骤107，当采样时间不大于预设的采样时间阈值时，继续检测各副边线 圈的采样电压；

其中，在步骤107之后，继续执行步骤103。

步骤108，当采样时间大于预设的采样时间阈值时，确定副边线圈故障。

当副边线圈故障时，可以对副边线圈进行检修，而该些副边线圈不参与 后续的功率分配的步骤，后续步骤仅针对耦合状态正常的原边线圈和副边线 圈。

步骤120，当耦合状态正常时，在列车行驶中，当进行脉宽调制前，获取 功率模块PU的整流输出电压，并计算整流输出电压和对应的副边线圈的额定 输出电压的第一比值；按照预设的功率变化量限值启动第一比值处于1与第 一比值阈值之间的PU，且按照第一比值与预设的功率变化量限值的乘积启动 第一比值处于第二比值阈值与1之间的PU。

步骤130，当进行脉宽调制后，获取当前采样周期PU的最小采样电压， 计算各PU的开路电压与最小采样电压的第二比值；并按照预设的功率变化量 限值控制第二比值处于1与第三比值阈值的PU的输出功率，且控制第二比值 为1的PU的输出功率保持不变，以进行各PU的功率分配。

具体的，在车辆行驶过程中，在进行PU的功率控制时，分为脉宽调制前 和脉宽调制后，在脉宽调制前和脉宽调制后，分别通过公式(6)中的如下两 种情况对不同的PU的βi(t)进行计算。

公式(6)中的第一个βi(t)可以作为第一比值，是通过计算整流输出电 压和额定输出电压的比值计算得到的，其中U

关于第一比值阈值和第二比值阈值，可以通过公式(7)确定：

其中，β

β

在t∈[0,t

从而，在脉宽调制前，可以根据步骤130进行PU的初始功率分配，保证 各PU具有合适的初始功率。

公式(6)中的第二个βi(t)可以作为第二比值，是通过计算整流输出电 压和额定输出电压的比值计算得到的，其中U

第三比值阈值可以通过公式(8)确定：

其中U

在t∈[t

从而，在脉宽调制后，可以根据步骤140进行功率模块的功率分配。保 证了功率分配的合理性。

步骤140，获取系统的需求功率，当需求功率不大于根据各PU的输出功 率所确定的系统功率与通过模糊推理规则所确定的车载储能设备的功率之和 时，结束功率分配。

具体的，当列车行驶中，进行牵引级位的切换或者制动，此时对应不同 的负载在工作，从而系统需求功率处于变化之中。

在进行脉冲宽度调制时，可以根据步骤120确定各PU的启动功率，通过 步骤130确定各PU的加载功率，根据各PU的加载功率，可以实时的确定系 统的输出功率，也可简称为系统功率。在确定系统功率后，可以获取车载储 能设备的SOC值，并根据模糊推理规则和需求功率以及系统功率，确定车载 储能设备的功率，以使得车系统功率和车载储能设备的功率满足需求功率。

模糊推理规则的建立过程如下：

列车牵引功率为P

列车需求功率P

表1

在确定系统功率后，可以结合模糊推理规则，对需求功率和车载储能设 备的SOC值进行判断。约束条件为：系统功率P与车载储能设备的功率P

其中，P

系统的动态最优功率，即系统的实时功率应在能够在满足系统需求功率 P

系统功率P通过公式(10)进行计算：

从而，在确定系统功率后，在上述基础上，又根据模糊推理规则确定车 载储能设备的功率，当车载储能设备的功率与系统功率之和大于等于需求功 率时，结束功率分配。

进一步的，本申请还可以包括：

当需求功率大于根据各PU的输出功率确定的系统功率与通过模糊推理规 则确定的车载储能设备的功率之和时，获取当前采样周期PU的最小采样电压， 计算各PU的开路电压与最小采样电压的第二比值；并按照预设的功率变化量 限值控制第二比值处于1与第三比值阈值的PU的输出功率，且控制第二比值 为1的PU的输出功率保持不变，以进行各PU的功率的重新分配，直到车载 储能设备的功率与系统功率之和大于等于需求功率时，结束功率分配。从而 实现了在车辆行驶过程中，根据需求功率的不同，动态的调整各PU的输出功率。

可以通过图7对步骤120-步骤140的过程进行具体的描述。

步骤201，获取整流模块启动前各PU的整流输出电压，计算整流输出电 压与额定输出电压的第一比值βi(t0)；

步骤202，判断第一比值βi(t0)是否满足βi(t0)∈[1,βmax]。

其中，当第一比值βi(t0)满足βi(t0)∈[1,βmax]，执行步骤203，当 βi(t0)不满足βi(t0)∈[1,βmax]，执行步骤204。

步骤203，βi(t0)∈[1,βmax]的PU按照ΔP正常启动。

步骤204，判断第一比值βi(t0)是否满足βi(t0)∈[βmin,1]。

其中，当第一比值βi(t0)满足βi(t0)∈[βmin,1]时，执行步骤205， 当第一比值βi(t0)不满足βi(t0)∈[βmin,1]时，执行步骤201。

步骤205，βi(t0)∈[βmin,1]的PU按照βi(t0)*ΔP启动。

步骤206，读取PU的输入电压Ui，Umax＝Max{u1,U2,…,Un},Umin＝Min{U1，U2,…,Un}；计算第二比值βi(t)＝Ui/Umin；βmax(t)＝Umax/Umin；

步骤207，判断第二比值βi(t)是否满足βi(t)∈(1,βmax(t)]；

其中，当第二比值βi(t)满足βi(t)∈(1,βmax(t)]时，执行步骤208， 当第二比值βi(t)不满足βi(t)∈(1,βmax(t)]时，执行步骤209。

步骤208，βi(t)∈(1,βmax(t)]的PU按照ΔP进行加载。

步骤209，判断第二比值βi(t)是否满足βi(t)＝1。

其中，当第二比值βi(t)满足βi(t)＝1时，执行步骤210，当第二比值 βi(t)不满足βi(t)＝1时，执行步骤206。

步骤210，βi(t)＝1的PU保持上一时刻的输出功率P(t-Δt)。

步骤211，计算系统输出功率P，通过模糊推理规则确定车载储能设备的 功率P

步骤212，判断是否满足P

其中，当P

进一步的，上述步骤120-步骤140对于列车处于行驶过程中如何进行功 率分配进行了说明，下面对列车启动时，如何进行功率分配进行说明。

首先，当耦合状态正常时，在列车启动时，获取当前的需求功率；

其次，根据需求功率和预设的模糊推理规则，确定系统和车载储能设备 分配到的功率；

再次，获取功率模块PU的整流输出电压，并计算整流输出电压和对应的 副边线圈的额定输出电压的第一比值；按照预设的功率变化量限值启动第一 比值处于1与第一比值阈值之间的PU，且按照第一比值与预设的功率变化量 限值的乘积启动第一比值处于第二比值阈值与1之间的PU，以进行功率模块 的启动；

最后，在脉宽调制后，获取当前采样周期PU的最小采样电压，计算各PU 的开路电压与最小采样电压的第二比值；并按照预设的功率变化量限值控制 第二比值处于1与第三比值阈值的PU的输出功率，且控制第二比值为1的PU 的输出功率保持不变，以使各PU对系统分配到的功率进行分配。

由此，在列车启动时，由于需求功率是固定值，因此可以在确定需求功 率后，获取车载储能设备的SOC值，确定车载储能设备的功率，从而在进行 功率分配后，确定系统功率，并将系统功率在各PU间进行分配，从而保证了 功率分配的合理性。

通过应用本发明实施例提供的轨道列车动态非接触牵引供电系统的功率 分配方法，可以在确定非接触牵引供电系统中耦合状态正常的原边线圈和副 边线圈后，对于需求功率，可以通过模糊推理规则确定非接触牵引供电系统 和车载储能设备之间的功率分配，既能充分发挥车载储能设备的作用，又可 以提高非接触牵引供电系统的能量分配效率，从而合理分配副边线圈的输出 功率。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的 各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来 实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能 一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来 执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每 个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为 超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理 器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器 (RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、 寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式 的存储介质中。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进 一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不 用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。