基于伪谱法的有轨电车混合储能系统能量管理策略的研究

作     者：安星锟 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨中平

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：混合储能系统 锂电池 能量管理策略 容量配置 凸优化 伪谱法 

摘      要：现代有轨电车环境友好、载客量大,是城轨交通的有效组成部分,其中车载储能型有轨电车由于投资成本低且不影响城市景观,得到了较为广泛的发展。但是,单一的储能元件不能很好地满足有轨电车高功率、高能耗的运行需求,由特性互补的储能元件组成的混合储能系统(Hybrid energy storage system,HESS)可以通过容量配置与能量管理策略(Energy management strategy,EMS)的优化很好地匹配有轨电车的运行需求。因此混合储能系统容量配置与EMS优化的研究对有轨电车的高效节能运行十分重要。本文针对钛酸锂电池与超级电容组成的混合储能系统,从容量配置和EMS的优化问题展开研究。首先对有轨电车混合储能系统进行了建模,并对混合储能系统的边界条件进行了分析。在比较了混合储能系统不同拓扑结构优劣的基础上,选定了能耗小、重量轻的电池半主动拓扑结构。基于混合功率脉冲(Hybrid Pulse Power Characterization,HPPC)实验手册对钛酸锂电池的Rint模型与一阶模型进行了参数辨识。通过牵引计算构建了有轨电车的功率曲线,对混合储能系统的边界条件进行了分析,为后续的容量配置与能量管理策略的优化奠定了基础。其次,针对能量管理策略与容量配置相互耦合的问题,提出了基于改进型凸优化算法的容量配置求解思路。通过对原始凸优化算法的分析,提出了一种可以求取多目标非支配解集的改进型凸优化算法,并对求得的帕累托前沿进行了能量与功率的冗余性分析,以提高容量配置结果的鲁棒性。从能耗与质量的角度,对单储能系统与混合储能系统进行了比较,分析了单储能系统与混合储能系统的优劣。第三,针对全局最优结果无法转变为在线控制策略的问题,本文提出了一种应用于混合储能有轨电车的自适应多模动态比例控制策略(Dynamic proportional control method,DPC)。以系统效率为优化目标,利用伪谱法对钛酸锂电池与超级电容之间的功率分配方式进行优化,并基于得到的优化结果,将输入变量与决策变量做模态分析,从中提炼出了适用于在线的多模动态比例控制策略。进一步地,为了使得该控制策略随有轨电车实际运行状态的变化而自适应地改变,提出了一种自适应多模动态比例控制策略。通过对动态规划与伪谱法的比较,分析了不同算法的优化性能与累积误差。通过对自适应多模动态比例与最优固定比例控制策略的比较,验证本文提出的控制策略的优越性。最后,基于混合储能系统实验平台对固定比例与自适应多模动态比例控制策略进行了功能验证。通过比较固定比例与自适应多模动态比例控制策略,验证了本文提出的功率分配方法的优越性。通过对不同初始条件下自适应多模动态比例控制策略的比较分析,验证了本文提出的控制策略的自适应性。