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蘭州交大提出氫燃料電池有軌電車混合儲能系統的能量管理策略
2022/2/23 13:57:48

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的研究人員高鋒陽、張浩然、王文祥、李明明、高翾宇在2022年第3期《電工技術學報》上撰文,以實現功率分配全局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儲能系統的能量管理策略。

團隊介紹
高鋒陽,教授級高工,教育部學位中心論文評審專家。主持獲得省部級科技進步二等獎、三等獎各一項,廳級科技獎三項。曾參加國家“九五”大科學工程—HIFFL-CSR電源系統工程建設,主持完成縱、橫向課題10余項。主編教材和著作各一部,發表SCI、EI論文30余篇。

張浩然,碩士研究生,現就職于中國鐵道科學研究院。主要從事現代有軌電車能量管理系統建模及優化控制研究,曾主研國家重點研發計劃、甘肅省重點研發計劃項目,近2年發表中文EI論文3篇。

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。

氫燃料電池有軌電車

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
本文針對城市軌道交通運行工況中電氣化負荷的空間分布廣泛、沖擊性強、強脈動寬頻域變化等特性下氫燃料電池混合動力系統的能量管理問題,提出了一種節能運行優化策略,以傳統ECMS策略為基礎,將目標函數中等效氫耗最小化改寫為外部電源能耗最大化,避免了等效能量因子過于依賴專家經驗所導致的能量管理系統對儲能系統等效氫耗評估精確度不足的缺陷,進而解決了瞬時優化策略應對負載突變魯棒性差的問題,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
搭建車載動力系統仿真平臺,如圖1所示。根據各自的能量流特性,分別采用單向和雙向變流器對燃料電池和鋰電池進行控制,并連接到直流母線上。由于超級電容在該系統中的作用主要是“削峰填谷”,因此采用未經變流器直接并聯于直流側母線端的形式。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。

有軌電車復合供電系統仿真平臺
圖1 有軌電車復合供電系統仿真平臺

與傳統ECMS策略相比,所提策略旨在通過在SOC約束范圍內最大化外部電源出力,間接地降低燃料電池負載壓力,如圖2所示。

氫燃料電池有軌電車采用本策略與傳統策略控制框圖的對比圖
圖2 本策略與傳統策略控制框圖的對比

通過EEMS算法確定鋰電池和燃料電池參考功率,并采用超級電容電壓相對母線電壓的偏移量調節其充放電參考功率,以穩定母線電壓。燃料經濟性方面通過對負載功率的實時采樣,以滿足功率需求和鋰電池不過放的約束,采用離線優化算法求取燃料電池瞬時輸出功率的個體最優解,通過對n次采樣后的燃料電池凈輸出能量進行整合,以總能量最低為目標判斷是否為全局最優的氫氣消耗量。

結論
1)與傳統的ECMS策略相比,通過最大化外部電源出力,使所提策略對負載變載的魯棒性更強,進而為能耗測算及能量補給評估提供了理論依據,擴大了能量管理策略的適用范圍。

2)與同類策略相比,所提策略在實現了燃料電池輸出功率波動范圍、鋰電池SOC和母線電壓偏移范圍、各能量源應力分布以及整體效率多重全局最優的同時,大幅度降低了氫氣消耗,其核心優勢體現在兼具高功率密度、高能量密度和高用氫效率。

3)所提策略算法和控制結構簡單,易于實現,并應用實測運行工況在線驗證了其有效性和優越性,能夠為指導燃料電池混合動力有軌電車儲能系統參數匹配設計及優化整車動力系統性能提供參考。



引用本文
“高鋒陽, 張浩然, 王文祥, 李明明, 高翾宇. 氫燃料電池有軌電車混合儲能系統的節能運行優化[J]. 電工技術學報, 2022, 37(3): 686-696. Gao Fengyang, Zhang Haoran, Wang Wenxiang, Li Mingming, Gao Xuanyu. Energy Saving Operation Optimization of Hybrid Energy Storage System for Hydrogen Fuel Cell Tram. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(3): 686-696.

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