燃料电池混合动力列车建模与运行控制研究

为提高燃料电池混合动力列车的燃料经济性,实现混合动力系统功率的合理分配,对以燃料电池、超级电容和动力电池为动力源的混合动力轻轨列车进行研究。通过分析混合动力系统结构,建立各动力源模型和基于列车自动运行(ATO)模式的系统仿真模型。在保证列车动力性能和燃料电池平稳运行的前提下,以合理分配功率为目标,提出一种基于10个工作模式的能量管理策略,以供能量管理系统根据需求进行选择。仿真结果表明:燃料电池在其高效运行区域内平稳工作,建立的系统模型满足列车运行仿真的需求;相比燃料电池两档式工作策略,所提出的能量管理策略耗氢量减少约17.4%;相比动力电池优先回收制动能量策略,回收的再生制动能量增加约8%。     

再生制动条件下的城轨列车节能驾驶综合模型

当供电区段内有列车进行电力再生制动时,所产生的再生电能会向牵引供电网反馈,若邻近无处于牵引状态的列车吸收此部分再生电能,则会造成牵引变电所两端的电压升高。由此提出通过检测牵引供电网第三轨电压并在牵引供电网网压升高时适当提高邻近列车运行速度,以充分利用再生电能,从而实现城轨列车的节能运行。基于此思路建立列车节能运行优化控制与牵引供电系统相配合的城轨列车节能驾驶综合模型。该模型由列车节能运行优化控制算法和牵引供电模型组成。前者为牵引供电模型提供列车运行动态信息;后者基于牵引供电系统特性生成列车运行控制最佳策略所需的数据,供列车节能运行优化控制算法使用。以北京地铁亦庄线为例,验证综合模型的可行性和有效性。结果表明:在该线4站3区间10个列车全部准点运行的情况下,采用综合模型后列车的运行能耗降低了7.18%。     

高速列车应急自走行辅助驾驶研究

当牵引供电网发生故障,高速列车应急自走行系统受车载储能装置容量限制,特别是在线路条件复杂时,如何操纵列车实现就近停车变得异常困难。为了解决高速列车应急自走行系统的速度曲线规划问题,进行了应急自走行辅助驾驶装置的功能设计和系统结构设计。根据列车应急运行的特点,设计了应急自走行优化算法。以CR400BF复兴号动车组列车运行于国内某高速铁路线路为例进行仿真,仿真结果表明,该装置可在能量受限的情况下规划列车自走行的运行速度曲线,与司机巡航驾驶相比实现了良好的节能性;同时,基于节能优化操纵策略,采用不同的牵引目标恒速速度进行仿真,仿真结果表明,根据线路条件选择合适的牵引目标恒速速度,对于车载储能装置容量受限的高速列车应急自走行驾驶具有重要的指导意义。     

新型城轨电车混合动力系统能量管理策略

采用燃料电池、蓄电池和超级电容混合动力的无接触网城轨列车供电方式,已经逐渐发展成为有轨电车动力系统的一种理想方案。针对车载混合动力系统能量管理问题,在状态机控制策略的基础上引入功率解耦控制,由燃料电池满足低频负载功率,由辅助供电单元满足高频负载功率,通过状态机再次进行能量分配与管理。通过仿真实验,与未加功率解耦控制的状态机控制进行对比分析。仿真实验表明:控制策略可有效降低燃料电池的运行压力,并且能够充分利用辅助供电单元,减小锂电池在低荷电状态时高负载需求功率情况下的运行压力,提高了动力系统对于多变性负载和高功率负载供电的可靠性。     

超级电容有轨电车多区间节能优化研究

超级电容有轨电车具有高效环保的优点，研究其多区间运行时刻表和运行策略能够进一步降低运行能耗。文章首先介绍车载超级电容能量流动模型，建立列车动力学模型与超级电容模型，以列车系统总能耗最小为目标，建立协同优化列车运行时刻表和运行策略的节能控制模型；设计动态规划算法，求解列车多区间运行时刻表和运行策略；最后通过实车线路进行仿真验证。结果表明，在各区间均采用节能运行策略，相比于标准时刻表，优化时刻表能够进一步降低运行能耗；同时分析了多区间总运行时间与能耗的关系，可综合考虑列车运行能耗与效率制定运行时间，采用协同优化方法确定时刻表与运行策略，从而达到节能的目的。     

基于2阶段优化的高速列车节能运行仿真研究

以高速列车牵引计算为基础,节能运行为目标,充分考虑实际运行线路条件,提出包含坡道运行优化和全线惰行优化的两阶段优化方法,分别构建定时约束下的列车节能模型。第1阶段,将线路坡道离散化,使用遗传算法搜索列车运行能耗最小时的速度组合序列,将模型求解转化为最优化问题,获得列车速度运行曲线;第2阶段,通过遗传算法在列车的中间运行阶段选择合理的惰行位置和惰行区间速度,再次优化列车速度曲线。以济南—泰安为站间实例进行仿真,经过2阶段优化后,CRH_3型高速列车节能效果达11.63%。     

混合动力有轨电车列车控制和管理系统软件测试平台设计

针对燃料电池和超级电容混合动力有轨电车的列车控制和管理系统(TCMS)软件测试需求,运用Control Build仿真软件搭建了适用于燃料电池和超级电容混合动力列车的TCMS软件测试平台。该平台在具有列车电路和常用子系统仿真功能上,采用拟合方法搭建了燃料电池模型、超级电容模型、动力电池模型和列车能量流动模型,为TCMS软件进行混合动力能量管理和整车能量管理提供测试环境,提高了燃料电池超级电容有轨电车TCMS软件测试的范围和效率。     

城市轨道交通列车运行能耗优化研究

研究了单列和多列列车运行能耗优化决策问题。城市轨道交通系统对能源的需求量非常大,通过对列车的合理调度,可使列车的运行能耗进一步降低。列车运行环境和线路路型的复杂性,导致列车运行过程中其本身所受到的力是随时变化的。通过模拟现实列车运行状态得出优化模型,具有十分重要的理论意义和应用价值。主要采用极大值原理、非线性方程模型、多目标二次规划对列车消耗的能量进行优化。在能量最优化的情况下,对速度与位移和时间与速度的变换规律进行了研究。     

基于再生制动能量利用的地铁列车时刻表设计方法研究

结合线路参数、列车运行工况以及时刻表等因素,分析了同一供电区段内列车再生制动能量的利用情况,建立基于再生制动能量利用与运行时刻表设计的多车节能优化模型。通过引入浓度免疫算法,调整列车时刻表中发车间隔、停站时间、运行时间等要素并优化列车操纵工况,求解出实际线路下的节能运行时刻表及多车节能驾驶策略。结合南宁地铁1号线某供电区段的仿真数据证明,采用优化的节能运行时刻表在满足正点运行的前提下,提高再生制动能量的利用率达11.4%,降低列车运行的总能耗达16.9%。     

高速铁路天窗设置与夜间列车运行协调优化技术

高速铁路综合维修天窗与夜间运行列车间存在动态影响关系,将天窗设置与夜间列车开行方案进行协同优化有利于降低天窗设置对列车运行的影响。以最小化列车运行时间增加量的权重和为目标,考虑区间运行时分、列车停站时分、追踪间隔时分、综合维修天窗和合理运行时间范围约束,构建了该问题的优化模型并进行修正。针对模型特点设计了模拟退火算法并通过Matlab与Cplex混合编程实现。以京沪高速铁路为例进行的实例研究表明模型和算法具有较好的实用性。