储能式有轨电车联合地面充电站车地整体性容量配置研究

作     者：安祺 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈维荣

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 082303[工学-交通运输规划与管理] 082302[工学-交通信息工程及控制] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：超级电容 锂电池 地面充电站 模糊逻辑控制 粒子群算法 

摘      要：近年来,储能式有轨电车在各国得到大力发展,其全线无网的运行模式规避了传统接触网式有轨电车发车间隔有接触网容量限制、影响城市美观、灵活性较差等劣势。地面充电装置技术与车载储能系统结合供电是目前有轨电车供电制式的研究热点,在满足车辆运行要求的前提下,将有轨电车储能系统与地面充电装置进行合理的配置,共同协作实现能源的高效利用与车辆的正常运行。这是传统电动汽车供电技术在有轨电车领域的尝试和突破,也是有轨电车供电制式的新的发展模式。本文基于现有的广州某线路有轨电车已投入使用的运行模式,即超级电容―站站充‖模式展开研究。在车载储能系统中,考虑在纯超级电容车载储能系统中加入锂电池模组,构成超级电容+锂电池混合储能的车载动力系统;对于地面充电站,考虑改变地面充电站的数量及其匹配的充电功率,在保证列车运行需求功率的前提下,探讨储能元件联合地面充电站的车地一体化动力系统经济性最优的容量配置方案。针对储能式有轨电车联合地面充电站车地整体性容量配置,本文的主要研究工作如下:（1）对现有的有轨电车动力系统拓扑结构进行了分析比较,综合考虑系统能效性、经济性、控制效果等因素,在动力系统中加入地面充电站的能量补给系统,设计了一种混合储能系统联合地面充电装置的有轨电车拓扑结构,并根据车地一体化动力系统各部分参数在Matlab/Simulink中搭建车地一体化动力系统仿真模型。基于机车动力学模型,结合有轨电车运行线路数据,通过牵引工况计算得到列车需求功率。（2）建立了车载储能系统与地面充电装置在有轨电车全寿命周期下的经济性模型;基于现有的车地一体化能量补给模式,提出新型的车地一体化优化运行模式,并以经济性为目标探寻该模式下全寿命周期供电成本最小的配置方案,推导包括锂电池模组全寿命周期成本、超级电容模组全寿命周期成本以及地面充电站全寿命周期成本的目标函数,并根据系统安全工作区间与边界条件确定约束条件。（3）基于有轨电车混合储能系统与地面充电站工作特点,根据列车运行负载需求功率大小以及储能系统荷电状态（state of charge,SOC）划分模糊子集,结合专家经验进行隶属度函数与模糊逻辑规则设置,制定了一种基于模糊逻辑控制的能量管理策略。（4）基于某线路有轨电车运行需求功率曲线与工况信息,结合系统安全工作区间、体积、重量等约束条件,结合车地一体化动力系统关于全寿命周期成本的目标函数,利用粒子群优化算法构建了车地一体化动力系统经济性最优的配置方案,对车地一体化动力系统的7种新型能量补给模式的容量优化配置方案进行经济性分析,最终得出结论:新型锂电池+超级电容―隔1站充‖供电模式与现有的纯超级电容―站站充‖模式相比,在日均成本上降低了9.8%,综合总成本节省了1064万元,对地面充电站充电功率需求降低了66.7%,为车地一体化容量配置优化的最优经济性方案。（5）结合有轨电车实际运行线路数据进行仿真验证,通过分析混合动力系统输出功率、混合储能系统工作状态以及母线电压等仿真结果,验证了新型储能系统联合地面充电站优化配置方案的实用性与合理性。