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    蘭州交通大學研究者提出適用于燃料電池有軌電車的能量管理策略

    新資訊 2024-4-2 16:15 電氣新科技 4 0

    燃料電池是全世界公認的未來最佳車載能源,然而大功率應用場景下用氫效率的不足明顯制約了其在軌道交通領域大規模產業化的進程。為此,蘭州交通大學自動化與電氣工程學院研究人員高鋒陽、高翾宇、張浩然等在2023年第21期《電工技術學報》上撰文,以實現混合動力系統功率分配兼具全局性和瞬時性能最優和提升燃料經濟性為核心目標,提出了一種適用于氫燃料電池有軌電車混合動力系統的能量管理策略。


    研究背景

    大力發展資源節約型、環境友好型的城市軌道交通車輛,緩解汽車帶給城市地面公共交通的擁堵、環境污染等壓力,已成為實現城市雙碳愿景的必由之路。


    氫燃料電池是實現氫能轉換為電能利用的關鍵載體,相較于傳統燃煤發電具有綠色節能、高能量轉換率以及噪聲小等突出優點,同時結合超級電容/鋰電池混合儲能系統所具備的高效制動能量回收的優勢,構建現代有軌電車的新型牽引供電制式,能夠使動力系統兼具高功率密度和高能量密度優勢的同時,實現真正意義上的零碳排放,已逐漸成為新時代軌道電車無接觸網受流的理想方案。

    論文所解決的問題及意義


    針對傳統龐特里亞金極小值原理在應用到城市軌道交通運行工況中燃料電池混合動力有軌電車的能量管理時,由于需要已知未來工況條件,存在實時性與工況適應性差的問題,提出一種全局優化與實時工況構建相結合的應對策略。


    首先依據極小值原理推導混動系統運行總氫耗量最小化目標函數,離線求解全局最優燃料電池參考功率。其次根據電車運行特性劃分行駛模式,并基于馬爾科夫鏈分別構建對應的狀態轉移概率矩陣,以在線更新瞬時最優的功率分配,進而提升混合動力系統應對高功率負載突變魯棒性,有效降低燃料電池啟停次數,以及實現全局和實時最優功率分配。為進一步工程化裝車運行驗證和示范運營奠定基礎。

    論文方法及創新點


    基于SIMPOWERSYSTEM平臺搭建主動式拓撲結構,如圖1所示??紤]到燃料電池無法回收制動能量以及超級電容的削峰填谷等能量流與信息流特性,分別采用單向和雙向變流器將主動力源和儲能系統連接到直流母線上。能量管理控制器調控各變換器的開關狀態使三者匹配工作。與此同時采用三相可編程負載模擬行駛工況進行在線運行驗證。


    1 有軌電車復合供電系統仿真平臺


    傳統PMP作為一種基于全局優化的經典策略,在應用到軌道交通電車時,高功率負載突變會致使能量管理系統無法及時跟蹤電車運行狀態進行調整,存在實時性與工況適應性差的缺陷。與此同時燃料電池作為主動力源,啟動和停止過于頻繁會直接影響其使用壽命。因此引入基于電車運行狀態識別的需求功率預測,在減少燃料電池啟停次數的同時盡可能提升其工作效率,整體策略流程如圖2所示。


    2 所提策略流程


    首先,基于極小值原理,以氫耗量最小為目標,在保證負載需求與避免超級電容SOC大范圍波動的約束下,求取燃料電池全局最優參考輸出功率;其次,將電車運行過程劃分為怠速牽引、加速啟動、穩速行駛、減速制動和再生制動五種模式,并分別根據各自運行特性構建狀態轉移概率矩陣,進而以燃料電池效率為判據確定工作模式并更新瞬時最優功率,旨在兼顧能量管理策略的工況適應性與燃料電池的工程適用性。

    結論


    1
    )克服了以傳統極小值原理為代表的全局優化策略實時性與工況適應性差的缺陷,使混動系統功率分配兼具瞬時與全局最優特性。


    2
    )引入基于電車運行狀態識別的需求功率預測并劃分燃料電池工作模式,提升了能量管理策略的工況適應性,同時避免了燃料電池的頻繁啟停。


    3
    )所提策略相較于傳統極小值原理和ECMS策略,氫氣消耗量在典型工況下分別降低了9.6%16.8%;在非典型工況下分別降低了4.9%11.3%,系統整體能量利用效率分別提升至了86.2%82.5%,同時超級電容SOC波動范圍在兩種工況下均有顯著改善。


    團隊介紹

     

    高鋒陽,博士生導師,教授級高工;主要從事軌道交通混合動力系統、大功率電源以及新型電機系統研究。主持獲得省部級科技進步二等獎、三等獎各一項。曾參加國家九五大科學工程—HIFFL-CSR電源系統工程建設,主持完成包括國家自然科學基金、國家重點研發計劃任務等縱、橫向課題20余項。獲發明專利授權3件;第一作者或通訊作者發表SCI、EI論文30余篇。


    高翾宇,碩士研究生,現就職于濱州市濱城區供電公司。曾參與研究國家重點研發計劃、甘肅省重點研發計劃項目,近2年發表SCI、中文EI論文3篇。


    本工作成果發表在2023年第21期《電工技術學報》,論文標題為全局與瞬時特性兼優的燃料電池有軌電車能量管理策略。本課題得到中車十四五科技重大專項計劃和國家重點研發計劃 的支持。


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