混合動(dòng)力列車(chē)運(yùn)行控制及能量管理策略研究.pdf

1、全球性石油資源的加速遞減、大氣污染和溫室效應(yīng)正迫使人類(lèi)尋求更為清潔、低碳的生產(chǎn)和交通方式。近年來(lái)，以節(jié)能、環(huán)保為終極目標(biāo)的電動(dòng)車(chē)輛、混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛應(yīng)運(yùn)而生，并且已被代表性地提議為日后用以替代傳統(tǒng)車(chē)輛的運(yùn)輸工具。本文研究一類(lèi)基于“電網(wǎng)+蓄電池+超級(jí)電容”的混合動(dòng)力系統(tǒng)。由于該類(lèi)混合動(dòng)力系統(tǒng)不含內(nèi)燃機(jī)，無(wú)燃油消耗，其動(dòng)力完全由電機(jī)提供，因此可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的零排放。其能源來(lái)自于電網(wǎng)，儲(chǔ)能設(shè)備由蓄電池和超級(jí)電容組成。如果以可再生清潔能源產(chǎn)生的電力

2、作為電網(wǎng)能源，那么由此構(gòu)成整個(gè)交通系統(tǒng)的零排放便可實(shí)現(xiàn)。本論文主要工作是將該類(lèi)混合動(dòng)力系統(tǒng)推廣到軌道交通領(lǐng)域，研究一類(lèi)新型混合動(dòng)力列車(chē)的運(yùn)行控制問(wèn)題和能量管理策略。
　　主要進(jìn)行了以下方面的研究:
　　(1)混合動(dòng)力列車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的建立。介紹一類(lèi)由“電網(wǎng)+蓄電池+超級(jí)電容”組成的混合動(dòng)力列車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析其HESS（混合儲(chǔ)能系統(tǒng)）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);針對(duì)該類(lèi)列車(chē)，分析其列車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，給出其牽引動(dòng)力計(jì)算方法，并提出更為

3、精確的多質(zhì)點(diǎn)模型;針對(duì)其混合電源系統(tǒng)，建立HESS的數(shù)學(xué)模型，其中包括蓄電池模型、超級(jí)電容模型和DC/DC變換器模型;最后，研究列車(chē)動(dòng)力學(xué)行為與混合電源之間的耦合關(guān)系，對(duì)混合動(dòng)力列車(chē)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和能量傳遞模型進(jìn)行分析，給出了列車(chē)在驅(qū)動(dòng)模式和再生制動(dòng)模式下從車(chē)輪到混合電源系統(tǒng)的能量傳遞關(guān)系。
　　(2)研究混合動(dòng)力列車(chē)的運(yùn)行控制，提出適用的列車(chē)目標(biāo)速度曲線的生成算法，列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)線路和站臺(tái)配置，規(guī)劃生成目標(biāo)速度曲線，從

4、而使得列車(chē)的加速、巡航、制動(dòng)、站臺(tái)停留以及再次起動(dòng)的自動(dòng)化運(yùn)行成為可能。分析列車(chē)速度控制系統(tǒng)，基于非線性控制方法設(shè)計(jì)速度控制器，使得混合動(dòng)力列車(chē)能夠良好地跟蹤目標(biāo)速度曲線運(yùn)行。給出牽引電機(jī)、DC/AC變流器和DC/DC變換器等電氣裝置的約束條件，得到列車(chē)在一定速度和位置下電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，從而為電機(jī)的控制提供依據(jù)。
　　(3)提出一種基于規(guī)則的能量管理策略。在有電網(wǎng)時(shí)用電網(wǎng)供電，在沒(méi)有電網(wǎng)時(shí)，以蓄電池的功率輸出能力為界定:高功率

5、指令下，超級(jí)電容作為主要能量輸出裝置;低功率指令下，蓄電池作為主要能量輸出裝置;負(fù)功率指令下，再生能量由電池和超級(jí)電容器吸收。該策略能夠?qū)崿F(xiàn)兩種儲(chǔ)能設(shè)備的混合利用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，得到相對(duì)理想的比功率和比能量，從而提高列車(chē)性能。
　　(4)基于已知軌道線路信息，通過(guò)預(yù)先估算線路中前后的能量消耗狀況，從而提出一種基于預(yù)測(cè)功率需求的能量管理策略。其基本思路是:首先將目標(biāo)速度曲線轉(zhuǎn)化為目標(biāo)功率曲線;再對(duì)功率曲線中功率值劃分范圍，得到相應(yīng)的子區(qū)

6、段;通過(guò)對(duì)子區(qū)段的能量估算，得到前后子區(qū)段之間的能量變化范圍;分別采用從前往后推和從后往前推，得到不同功率分配方式下可能得到的目標(biāo)功率曲線的上限和下限;最后，把最大性能滿足率和最大能量吸收率作為目標(biāo)，為兩種儲(chǔ)能設(shè)備分別求解最佳目標(biāo)功率曲線，從而得到優(yōu)化的功率分配策略。
　　(5)研究了混合動(dòng)力列車(chē)的參數(shù)匹配方法。一方面，考慮列車(chē)的動(dòng)力性能指標(biāo)的約束，分別得到了最高車(chē)速、最大爬坡度和加速性能對(duì)電機(jī)性能的要求，從而給出的電機(jī)的參數(shù)匹配

7、;在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分析電機(jī)輸出功率對(duì)電源功率的要求、行駛里程對(duì)電源能量的要求，得到蓄電池和超級(jí)電容的最小數(shù)量的適配方法;從比功率和比能量的角度考慮，給出含蓄電池和超級(jí)電容的HESS的最佳匹配設(shè)計(jì)。另一方面，在給定的參數(shù)配置下，得到混合動(dòng)力列車(chē)的勻速行駛、加速和爬坡等工況下的性能計(jì)算方法。
　　(6)考慮混合動(dòng)力列車(chē)節(jié)能、準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)地點(diǎn)、安全、舒適等多個(gè)目標(biāo)，結(jié)合基于目標(biāo)速度曲線的列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行控制方法，提出針對(duì)混合動(dòng)力列車(chē)的運(yùn)行優(yōu)化的

8、一些思路。本文所研究的基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法能有效地改善列車(chē)的目標(biāo)速度曲線的綜合指標(biāo)，為列車(chē)生成一條更好的目標(biāo)速度曲線;仿真表明，該優(yōu)化方法在盡可能保證準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)地點(diǎn)、安全、舒適的情況下，可以降低運(yùn)行能耗。
　　(7)為了評(píng)估本文所研究的混合動(dòng)力列車(chē)在一定配置和給定軌道線路下的動(dòng)力性能，模擬其運(yùn)行過(guò)程，研究并開(kāi)發(fā)了一款適用于對(duì)其進(jìn)行研究分析的仿真平臺(tái)軟件。首先從總體設(shè)計(jì)出發(fā)，基于面向?qū)ο蟮乃枷胪瓿尚枨蠓治?、總體架構(gòu)、模塊分解，