混合動力列車運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)正迫使人類尋求更為清潔、低碳的生產(chǎn)和交通方式。近年來，以節(jié)能、環(huán)保為終極目標(biāo)的電動車輛、混合動力電動車輛應(yīng)運而生，并且已被代表性地提議為日后用以替代傳統(tǒng)車輛的運輸工具。本文研究一類基于“電網(wǎng)+蓄電池+超級電容”的混合動力系統(tǒng)。由于該類混合動力系統(tǒng)不含內(nèi)燃機，無燃油消耗，其動力完全由電機提供，因此可實現(xiàn)車輛的零排放。其能源來自于電網(wǎng)，儲能設(shè)備由蓄電池和超級電容組成。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)成整個交通系統(tǒng)的零排放便可實現(xiàn)。本論文主要工作是將該類混合動力系統(tǒng)推廣到軌道交通領(lǐng)域，研究一類新型混合動力列車的運行控制問題和能量管理策略。
　　主要進行了以下方面的研究:
　　(1)混合動力列車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的建立。介紹一類由“電網(wǎng)+蓄電池+超級電容”組成的混合動力列車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析其HESS（混合儲能系統(tǒng)）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);針對該類列車，分析其列車車輛動力學(xué)模型，給出其牽引動力計算方法，并提出更為

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

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

5、指令下，超級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電容器吸收。該策略能夠?qū)崿F(xiàn)兩種儲能設(shè)備的混合利用，優(yōu)勢互補，得到相對理想的比功率和比能量，從而提高列車性能。
　　(4)基于已知軌道線路信息，通過預(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;通過對子區(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)研究了混合動力列車的參數(shù)匹配方法。一方面，考慮列車的動力性能指標(biāo)的約束，分別得到了最高車速、最大爬坡度和加速性能對電機性能的要求，從而給出的電機的參數(shù)匹配

7、;在此基礎(chǔ)上，通過分析電機輸出功率對電源功率的要求、行駛里程對電源能量的要求，得到蓄電池和超級電容的最小數(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電容的HESS的最佳匹配設(shè)計。另一方面，在給定的參數(shù)配置下，得到混合動力列車的勻速行駛、加速和爬坡等工況下的性能計算方法。
　　(6)考慮混合動力列車節(jié)能、準(zhǔn)時、準(zhǔn)地點、安全、舒適等多個目標(biāo)，結(jié)合基于目標(biāo)速度曲線的列車自動運行控制方法，提出針對混合動力列車的運行優(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的目標(biāo)速度曲線的綜合指標(biāo)，為列車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、準(zhǔn)地點、安全、舒適的情況下，可以降低運行能耗。
　　(7)為了評估本文所研究的混合動力列車在一定配置和給定軌道線路下的動力性能，模擬其運行過程，研究并開發(fā)了一款適用于對其進行研究分析的仿真平臺軟件。首先從總體設(shè)計出發(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，