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原文传递混合动力列车运行控制及能量管理策略研究

论文题名：	混合动力列车运行控制及能量管理策略研究
关键词：	混合动力列车;运行控制;能量管理;数学模型
摘要：	全球性石油资源的加速递减、大气污染和温室效应正迫使人类寻求更为清洁、低碳的生产和交通方式。近年来，以节能、环保为终极目标的电动车辆、混合动力电动车辆应运而生，并且已被代表性地提议为日后用以替代传统车辆的运输工具。本文研究一类基于“电网+蓄电池+超级电容”的混合动力系统。由于该类混合动力系统不含内燃机，无燃油消耗，其动力完全由电机提供，因此可实现车辆的零排放。其能源来自于电网，储能设备由蓄电池和超级电容组成。如果以可再生清洁能源产生的电力作为电网能源，那么由此构成整个交通系统的零排放便可实现。本论文主要工作是将该类混合动力系统推广到轨道交通领域，研究一类新型混合动力列车的运行控制问题和能量管理策略。　　主要进行了以下方面的研究: 　　(1)混合动力列车系统结构和数学模型的建立。介绍一类由“电网+蓄电池+超级电容”组成的混合动力列车的系统结构，分析其HESS（混合储能系统）的拓扑结构;针对该类列车，分析其列车车辆动力学模型，给出其牵引动力计算方法，并提出更为精确的多质点模型;针对其混合电源系统，建立HESS的数学模型，其中包括蓄电池模型、超级电容模型和DC/DC变换器模型;最后，研究列车动力学行为与混合电源之间的耦合关系，对混合动力列车的机械传动系统和能量传递模型进行分析，给出了列车在驱动模式和再生制动模式下从车轮到混合电源系统的能量传递关系。　　(2)研究混合动力列车的运行控制，提出适用的列车目标速度曲线的生成算法，列车自动控制系统能够根据线路和站台配置，规划生成目标速度曲线，从而使得列车的加速、巡航、制动、站台停留以及再次起动的自动化运行成为可能。分析列车速度控制系统，基于非线性控制方法设计速度控制器，使得混合动力列车能够良好地跟踪目标速度曲线运行。给出牵引电机、DC/AC变流器和DC/DC变换器等电气装置的约束条件，得到列车在一定速度和位置下电机的最大输出转矩，从而为电机的控制提供依据。　　(3)提出一种基于规则的能量管理策略。在有电网时用电网供电，在没有电网时，以蓄电池的功率输出能力为界定:高功率指令下，超级电容作为主要能量输出装置;低功率指令下，蓄电池作为主要能量输出装置;负功率指令下，再生能量由电池和超级电容器吸收。该策略能够实现两种储能设备的混合利用，优势互补，得到相对理想的比功率和比能量，从而提高列车性能。　　(4)基于已知轨道线路信息，通过预先估算线路中前后的能量消耗状况，从而提出一种基于预测功率需求的能量管理策略。其基本思路是:首先将目标速度曲线转化为目标功率曲线;再对功率曲线中功率值划分范围，得到相应的子区段;通过对子区段的能量估算，得到前后子区段之间的能量变化范围;分别采用从前往后推和从后往前推，得到不同功率分配方式下可能得到的目标功率曲线的上限和下限;最后，把最大性能满足率和最大能量吸收率作为目标，为两种储能设备分别求解最佳目标功率曲线，从而得到优化的功率分配策略。　　(5)研究了混合动力列车的参数匹配方法。一方面，考虑列车的动力性能指标的约束，分别得到了最高车速、最大爬坡度和加速性能对电机性能的要求，从而给出的电机的参数匹配;在此基础上，通过分析电机输出功率对电源功率的要求、行驶里程对电源能量的要求，得到蓄电池和超级电容的最小数量的适配方法;从比功率和比能量的角度考虑，给出含蓄电池和超级电容的HESS的最佳匹配设计。另一方面，在给定的参数配置下，得到混合动力列车的匀速行驶、加速和爬坡等工况下的性能计算方法。　　(6)考虑混合动力列车节能、准时、准地点、安全、舒适等多个目标，结合基于目标速度曲线的列车自动运行控制方法，提出针对混合动力列车的运行优化的一些思路。本文所研究的基于遗传算法的多目标优化方法能有效地改善列车的目标速度曲线的综合指标，为列车生成一条更好的目标速度曲线;仿真表明，该优化方法在尽可能保证准时、准地点、安全、舒适的情况下，可以降低运行能耗。　　(7)为了评估本文所研究的混合动力列车在一定配置和给定轨道线路下的动力性能，模拟其运行过程，研究并开发了一款适用于对其进行研究分析的仿真平台软件。首先从总体设计出发，基于面向对象的思想完成需求分析、总体架构、模块分解，并用UML进行了明确的描述。通过对混合动力列车各个子系统的数学模型的分析，确定了各子系统的具体实现方法。采用C＃作为编程语言，基于Visual Studio2010开发了仿真平台软件。最后，利用该软件进行了仿真运行，验证该软件的有效性。
作者：	陈彦秋
专业：	载运工具运用工程
导师：	张继业
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文