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兰州交大提出氢燃料电池有轨电车混合储能系统的能量管理策略
2022/2/23 13:57:48

燃料电池是全世界公认的未来最佳车载能源,然而大功率应用场景下用氢效率的不足明显制约了其在轨道交通领域大规模产业化的进程。为此,兰州交通大学自动化与电气工程学院的研究人员高锋阳、张浩然、王文祥、李明明、高翾宇在2022年第3期《电工技术学报》上撰文,以实现功率分配全局最优和提升燃料经济性为核心目标,提出了一种适用于氢燃料电池有轨电车混合储能系统的能量管理策略。

团队介绍
高锋阳,教授级高工,教育部学位中心论文评审专家。主持获得省部级科技进步二等奖、三等奖各一项,厅级科技奖三项。曾参加国家“九五”大科学工程—HIFFL-CSR电源系统工程建设,主持完成纵、横向课题10余项。主编教材和著作各一部,发表SCI、EI论文30余篇。

张浩然,硕士研究生,现就职于中国铁道科学研究院。主要从事现代有轨电车能量管理系统建模及优化控制研究,曾主研国家重点研发计划、甘肃省重点研发计划项目,近2年发表中文EI论文3篇。

研究背景
大力发展资源节约型、环境友好型的城市轨道交通车辆,缓解汽车带给城市地面公共交通的拥堵、环境污染等压力,已成为实现城市双碳愿景的必由之路。

氢燃料电池有轨电车

氢燃料电池是实现氢能转换为电能利用的关键载体,相较于传统燃煤发电具有绿色节能、高能量转换率以及噪声小等突出优点,同时结合超级电容/锂电池混合储能系统所具备的高效制动能量回收的优势,构建现代有轨电车的新型牵引供电制式,能够使动力系统兼具高功率密度和高能量密度优势的同时,实现真正意义上的零碳排放,已逐渐成为新时代轨道电车无接触网受流的理想方案。

论文所解决的问题及意义
本文针对城市轨道交通运行工况中电气化负荷的空间分布广泛、冲击性强、强脉动宽频域变化等特性下氢燃料电池混合动力系统的能量管理问题,提出了一种节能运行优化策略,以传统ECMS策略为基础,将目标函数中等效氢耗最小化改写为外部电源能耗最大化,避免了等效能量因子过于依赖专家经验所导致的能量管理系统对储能系统等效氢耗评估精确度不足的缺陷,进而解决了瞬时优化策略应对负载突变鲁棒性差的问题,为进一步工程化装车运行验证和示范运营奠定基础。

论文方法及创新点
搭建车载动力系统仿真平台,如图1所示。根据各自的能量流特性,分别采用单向和双向变流器对燃料电池和锂电池进行控制,并连接到直流母线上。由于超级电容在该系统中的作用主要是“削峰填谷”,因此采用未经变流器直接并联于直流侧母线端的形式。能量管理控制器调控各变换器的开关状态使三者匹配工作。与此同时采用三相可编程负载模拟行驶工况进行在线运行验证。

有轨电车复合供电系统仿真平台
图1 有轨电车复合供电系统仿真平台

与传统ECMS策略相比,所提策略旨在通过在SOC约束范围内最大化外部电源出力,间接地降低燃料电池负载压力,如图2所示。

氢燃料电池有轨电车采用本策略与传统策略控制框图的对比图
图2 本策略与传统策略控制框图的对比

通过EEMS算法确定锂电池和燃料电池参考功率,并采用超级电容电压相对母线电压的偏移量调节其充放电参考功率,以稳定母线电压。燃料经济性方面通过对负载功率的实时采样,以满足功率需求和锂电池不过放的约束,采用离线优化算法求取燃料电池瞬时输出功率的个体最优解,通过对n次采样后的燃料电池净输出能量进行整合,以总能量最低为目标判断是否为全局最优的氢气消耗量。

结论
1)与传统的ECMS策略相比,通过最大化外部电源出力,使所提策略对负载变载的鲁棒性更强,进而为能耗测算及能量补给评估提供了理论依据,扩大了能量管理策略的适用范围。

2)与同类策略相比,所提策略在实现了燃料电池输出功率波动范围、锂电池SOC和母线电压偏移范围、各能量源应力分布以及整体效率多重全局最优的同时,大幅度降低了氢气消耗,其核心优势体现在兼具高功率密度、高能量密度和高用氢效率。

3)所提策略算法和控制结构简单,易于实现,并应用实测运行工况在线验证了其有效性和优越性,能够为指导燃料电池混合动力有轨电车储能系统参数匹配设计及优化整车动力系统性能提供参考。



引用本文
“高锋阳, 张浩然, 王文祥, 李明明, 高翾宇. 氢燃料电池有轨电车混合储能系统的节能运行优化[J]. 电工技术学报, 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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