有轨电车间歇式供电系统优化配置与能量管理策略研究

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在城市轨道交通中,现代有轨电车是介于地铁与地面常规公交之间的产物,在建设成本、运输能力、服务品质上,均介于二者之间,可作为地铁的补充与拓展,适用于远期高峰小时断面客流不大于1.5万人次的城市客运交通线路,能有效缓解城市交通运量负担。间歇式供电有轨电车以车载储能系统为动力源,并通过站内设置的地面充电装置进行能量补给,实现储能式有轨电车无接触网全线运行。科学、经济的车载储能系统与地面充电装置的配置不但能满足有轨电车的日常使用需求,也能为有轨电车规划、建设与运营节省成本。同时,有效的能量管理策略能优化混合储能元件间功率分配,改善储能元件的健康状态,提高系统效率。基于此,本文围绕间歇式供电有轨电车供电系统优化配置与能量管理策略问题展开了如下工作:(1)根据有轨电车运行特点及动力系统输出特性,对现有的动力系统拓扑结构进行对比分析,综合考虑控制效果、容量利用率、经济成本等因素,选择适用的混动拓扑结构后加入地面充电装置,采用了间歇式供电有轨电车混合动力系统拓扑结构,并在Matlab/Simulink环境中搭建了相应仿真模型。(2)对含车载储能系统、地面充电装置在内的间歇式供电有轨电车供电系统建立了全寿命周期成本模型;基于现有的充电桩等站点分布的模式,考虑区间距离、线路坡度与曲线半径等线路条件存在差异的现实状况,提出了两种新的充电桩配置方案:充电桩等距离分布与充电桩等能量分布模型。(3)综合考虑车辆动力性能、线路情况、电压等级、储能元件SOC、储能系统体积与重量等约束条件,确定储能系统配置参数范围,通过遗传算法对充电桩“等站点”“等距离”“等能量”三种分布模型下最优配置方案进行寻优并对比分析。结果表明,所提新型充电桩分布模型的经济性均优于等站点分布模型,最优配置方案出现在充电桩等能量分布模型下的8站充方案,与等站点分布模型最优配置方案相比,它的全寿命周期成本降低了9.77%。(4)在机车优化配置的基础上,针对混合储能系统主动式拓扑结构,从优化功率分配的角度出发,以价值损耗为目标函数,提出基于庞特里亚金极小值控制的能量管理策略,并与基于功率跟随控制的能量管理策略对比,验证了所提能量管理策略的优越性。
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