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城轨车辆与地面供电节能技术研究
| 论文题名： | 城轨车辆与地面供电节能技术研究 |
| 关键词： | 城轨车辆;地面供电;节能改造;能量仿真 |
| 摘要： | 近年来，城市轨道交通作为绿色公共交通在我国得到了前所未有的发展，而随着绿色环保理念的不断深入，目前轨道交通中的许多既有系统已经很难满足绿色环保的理念，特别是随着电力电子与储能技术的发展，以及车辆再生制动能量回收系统的广泛应用，使得车辆与地面供电系统的构成和能量关系更加复杂化。但是由于能够对车辆与地面供电各系统间的能量表示一体化模型并不完善，所以在城轨既有设备进行节能改造，以及地面再生制动能量回收系统容量配置时，很容易造成节能系统容量配置的过度冗余，增加建设成本。 针对上述问题，本文围绕城轨供电与节能系统，对车载低压直流供电系统的拓扑结构、车载蓄电池系统的能量管理以及地面节能系统的配置等问题展开了研究。旨在通过能量宏观管理策略（EMMS）建立车辆与地面供电一体化能量仿真模型，对城轨车辆与地面供电节能配置进行分析，提高城轨供电系统的综合效率。主要研究工作如下： 本文提出了车载低压供电系统换装钛酸锂电池组的方案。该方案通过采用双向充电机对锂电池组进行动态充放电管理，以吸收及补偿车辆能量，从而减少车辆能耗，提高能量利用率。 为了充分发挥钛酸锂电池的特性并满足动态充放电的需求，本文以充放电能量平衡及转换效率最大化为能量管理目标，建立了电池组的充电控制模型与放电控制模型，并提出了两种双向充电机的拓扑方案，建立了相应的低压直流供电系统EMMS模型。 在此模型的基础上，本文一方面针对充电机的控制策略进行优化，提出适用于车载钛酸锂电池充放电管理的改进型构筑算法，避免了优化排序时的过多试错；另一方面针对钛酸锂电池组的仿真，通过引入温熵系数构建了适用于EMMS模型的钛酸锂电池组等效模型，并通过多维动态参数PI观测器对等效模型参数进行优化，以更加准确地对电池组电压和温度进行仿真，提高钛酸锂电池组模型精度。随后在Simulink环境下构建低压直流供电系统EMMS仿真模型，并结合长沙地铁1号线的实际运行工况数据，对节能效果进行了仿真与对比分析。之后，通过EMMS模型对车载供电系统、地面供电系统及地面能量回收系统分别进行了表征，利用Simulink建立了包含多车多供电系统的一体化EMMS仿真模型，并结合车辆速度工况对车载钛酸锂电池以及地面能量回收系统的节能效果进行了仿真计算。最后通过构建钛酸锂电池及地面能量回收系统节能投入比的线性规划模型，基于仿真结果对不同配置与工况下的节能投入比进行了排序，更加直观地为不同场景下的配置提供指导。 |
| 作者： | 曹雪铭 |
| 专业： | 载运工具运用工程 |
| 导师： | 陆阳 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 中国铁道科学研究院 |
| 学位年度： | 2022 |
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