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新型供电制式有轨电车混合动力系统能量管理优化研究
| 论文题名： | 新型供电制式有轨电车混合动力系统能量管理优化研究 |
| 关键词： | 有轨电车;混合动力系统;动态功率分配;能量管理 |
| 摘要： | 氢燃料电池是实现零碳排放的关键车载能源载体，同时结合锂电池、超级电容等大容量储能部件所具备的高效制动能量回收的优势，构建新型供电制式有轨电车混合动力系统，已逐渐成为轨道电车无接触网受流的理想解决方案。然而，储能元件的多元化使能量管理策略趋于复杂，燃料经济性的不足制约了其在轨道交通领域大规模产业化的进程。为此基于节能、降低成本、增强动态性能和达到整体高效率的核心目标，围绕有轨电车典型行驶工况构建、锂电池/超级电容混合储能系统动态功率分配、燃料电池混合动力系统运行氢耗优化三个方面深入探究，开展的工作如下： 首先，针对有轨电车典型行驶工况构建领域存在的研究空白，提出一种基于多维马尔科夫链的工况构建新方法。在以国内多个城市有轨电车线路数据组成样本数据库的基础上，筛选出主成分累计贡献率高于90%的特征参数，并划分短行程行驶特征；随后将传统马尔科夫链扩展到多维状态空间，构建计及运行速度、加速度、以及道路坡度时变性的三维状态转移概率矩阵；进而采用累积泊松分布函数与蒙特卡洛采样相结合的方式生成随机数确定下一时刻运行状态，以获取实时工况；紧接着通过误差分析验证了所提方法高精度推演了有轨电车的实际运行场景。 其次，针对有轨电车用锂电池/超级电容混合储能系统动态功率分配中所面临的过于依赖专家经验与工况适应性差的问题，提出在传统模糊控制的决策变量层中引入电车工况条件。依据行驶工况制定隶属度函数与论域，调整超级电容高功率密度响应时刻，优化列车动力性能；同时采用粒子群算法对模糊控制规则权重寻优，在保证功率需求的同时降低锂电池峰值电流，延长储能系统使用寿命。与此同时通过算例验证了所提策略能够有效规避传统规则控制无法实现全局最优功率分配的缺陷。 最后，针对城市轨道交通行驶工况负荷空间分布广泛、冲击性强以及强脉动宽频域变化等特性约束下的有轨电车能量管理问题，提出一种燃料电池混合动力系统运行氢耗在线瞬时优化策略。基于等效氢耗理论，推导能量因子随储能系统荷电状态自适应调整的数学模型；进而将其目标函数改写为外部能耗最大化，以提升系统应对负载变载的鲁棒性；采用多维度典型行驶工况进行在线运行效能对比验证，结果表明所提策略的优势在于使燃料电池混动系统兼具高能量密度、功率密度和高用氢效率。 |
| 作者： | 张浩然 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 高锋阳;陈博 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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