城轨交通车载混合储能系统的控制策略及容量配置研究
为实现2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，如何有效减少轨道交通领域内的地铁车辆运行能量损耗，提升能量利用率成为当前亟需研究的重要课题。地铁车辆作为大容量负载，在加速或制动运行工况时所需要或释放的能量具有瞬时性、总量大、功率高等特点，而锂电池和超级电容组成的车载混合储能系统能够良好的实现自身优势特性互补，满足地铁车辆能量流通需求。因此，本文对锂电池和超级电容组成的城轨车载混合储能系统控制策略及容量配置方面展开研究。 首先搭建地铁列车模拟运行平台，包括以24脉波整流电路为核心的牵引供电系统和以基于磁场定向id=0矢量控制永磁同步牵引电机为核心的牵引传动系统，对列车不同运行方式下牵引网压波动情况进行分析，便于与城轨车载混合储能系统做对比研究。 其次对城轨交通混合储能系统主电路进行设计，分析混合储能系统主电路和双向DC/DC变换器各种拓扑结构特点并选取合适的拓扑结构，结合地铁车辆实际情况和储能装置性能对锂电池组容量、超级电容组容量、稳压电容取值、续流电感取值等主要参数进行详细推导计算。 然后针对城轨交通混合储能系统容量进行优化配置，根据锂电池和超级电容充放电特性提出一种基于能量转移的容量配置估算方法，大致确定混合储能装置串并联数量范围，并在此基础上构建车载混合储能系统总成本目标函数和需要满足的等式、不等式约束条件，接着将某地铁车辆实际运营参数、混合储能装置成本等数据输入至传统粒子群和改进粒子群算法模型中，对优化配置结果进行对比分析，验证结果的可靠性。 最后分析城轨交通混合储能系统工作原理，利用状态空间平均法对双向DC/DC变换器进行数学建模，采用基于低通滤波的传统双环控制策略对车载混合储能系统运行进行仿真。针对传统控制策略存在快速性响应慢等缺陷，提出一种改进多步预测的城轨混合储能系统控制算法，采用多步预测电流控制环代替传统PI电流内环，规避单步预测存在预测误差缺陷的同时提升系统动态响应速度。针对预测电流算法中等效占空比非“0”即“1”导致电流纹波较大的问题，对最优开关时刻的电流波动范围进行实时计算，在线更新开关作用时间。最终搭建地铁车辆混合储能系统模型验证了改进策略的正确性和优越性。
城轨交通;混合储能系统;控制策略;容量优化配置
华东交通大学
硕士
电气工程
杨丰萍
2023
中文
U270.3
2023-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）