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多能源混合动力有轨电车能量管理研究

杨继斌  
【摘要】:随着社会、经济的快速发展和城市化进程的不断推进,由能源危机、环境污染、交通拥堵等带来的城市问题日趋严重。近年来现代有轨电车经过技术的改革和创新,成为改善城市交通现状、实现节能减排的重要城市公共交通工具。其中,车载多能源的混合动力有轨电车采用新型的供电方式,以其节能环保、提高城市美观等特点成为国内外有轨电车技术的研究热点。本文针对以电网、动力电池、超级电容为动力源的储能式有轨电车和以质子交换膜燃料电池(PEMFC)、动力电池、超级电容为动力源的燃料电池有轨电车进行研究,储能式有轨电车采用部分区间架设接触网、无网区间由储能设备供电的方式,燃料电池有轨电车采用无架空接触网、由燃料电池和储能设备供电的方式。论文主要对这两类有轨电车的建模、参数匹配设计和能量管理进行研究。论文的主要研究成果如下:(1)混合动力有轨电车的系统建模。分析应用于混合动力系统的建模方法,并结合有轨电车的运行特点和轨道交通中列车牵引计算的方法,分别给出基于混合建模方法和前向建模方法的混合动力有轨电车系统模型。其主要模型包括多质点的列车纵向动力学模型、基于距离-速度的工况模型、列车的传动系统模型以及整车的运行控制模型等。最后基于实车试验数据,对系统模型仿真的结果进行验证分析,结果表明,在小于1km的平直道区间内,当仿真系统的参数及控制策略与实车试验条件相近时,与实车试验结果相比,仿真的每公里能耗计算结果误差在1%之内。(2)研究储能式混合动力有轨电车的能量管理问题。首先介绍以电网、动力电池和超级电容为动力源的储能式有轨电车动力系统结构,并分析其工作原理;针对该类有轨电车的电源系统,分析储能设备的特性,建立各储能设备数学模型并进行模型的验证分析,完成对储能式有轨电车电源系统的建模;在此基础上考虑多种因素,给出了储能设备的参数匹配设计方法。为实现各动力源间功率的合理分配,通过定义系统的7个工作模式并分析功率平衡关系,提出了基于系统工作模式的能量管理策略;针对该类能量管理策略中门限值设计的不确定性,应用遗传算法,对控制策略中的控制参数进行了优化,提出了基于多目标优化的储能式有轨电车能量管理策略,同时得到电源的最优配置;最后,应用模糊逻辑控制和小波变换方法,分别提出了基于双模糊控制和小波变换的储能式有轨电车能量管理策略,对系统的控制策略进行改进。(3)研究燃料电池混合动力有轨电车的能量管理问题。首先介绍以PEMFC、动力电池和超级电容为动力源的燃料电池有轨电车动力系统结构,并分析其工作原理;针对该类有轨电车的电源系统,介绍PEMFC系统的工作原理,建立PEMFC数学模型并进行模型验证分析,完成对燃料电池有轨电车电源系统的建模;在此基础上考虑多种因素,提出了燃料电池有轨电车混合电源的参数匹配设计方法,并以不同车用燃料电池配置和不同储能设备配置为例,对有轨电车的动力性能进行了静态计算分析。通过定义系统的10个工作模式并分析功率平衡关系,提出了基于系统工作模式的燃料电池有轨电车能量管理策略;针对该类能量管理策略中门限值设计的不确定性,应用遗传算法对控制策略中的控制参数进行了优化。(4)混合动力试验台的研制。从基于半实物仿真的混合动力试验台功能需求分析出发,构建混合动力试验台的分层式总体设计结构,并说明各层的设备构成和工作原理;基于模型设计的方法,在dSPACE实时仿真机平台上,开发了一款适用于混合动力有轨电车的混合动力试验台,可用于系统部分部件的功能测试、控制策略开发、实际线路运行仿真测试等;最后以储能式有轨电车在某线路条件下的运行仿真为例进行了试验台功能测试。


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