考虑能量管理的混合动力列车运行优化策略研究

摘要

目前非电气化铁路里程占全国既有铁路线路的35％左右，仍需要大量非电气化机车来满足运营需求，以内燃机车为主的非电气化机车能源利用率较低且不可避免的产生环境污染，且既有非电气化线路短时间难以进行电气化改造，在此背景下搭载车载储能系统的节能环保的混合动力列车应运而生。本文针对一类混合动力列车，研究一种考虑能量管理的列车运行优化策略，即同时考虑运行操纵与列车功率分配，以达到更充分利用再生制动能量实现节能和更合理运用储能装置的目的。
　　首先介绍了动力系统结构及功率流动关系，建立了列车牵引计算模型与车载储能装置等效电路模型。以运行能耗与车载储能装置使用电量之和最小为目标，分别建立电气化区段和非电气化区段下的运行优化模型。根据不同供电制式差异及线路条件，确立以供电制式变化点、限速变化点和停车站为分界点的阶段划分原则，建立多阶段优化模型。引入自适应伪谱法，利用GPOPS-Ⅱ工具包，对优化问题进行求解。
　　在此基础上，采用实际混合动力动车组列车数据，针对电气化和非电气化单区间进行仿真，验证所建优化模型和求解方法的正确性和有效性，由此得出混合动力列车的区间运行优化策略;重点分析电量约束、线路情况及车载储能装置充放电能力等关键因素分别对运行优化策略结果的影响规律。
　　最后通过多区间时刻表优化的可行性分析，改进多阶段优化模型，建立适用于多区间时刻表优化的控制模型。将时刻表优化与时刻表固定的运行仿真结果进行对比，结果表明，在优化时刻表下的运行能耗与车载储能装置使用电量之和比原时刻表下的降低4.59％，验证了多区间时刻表优化模型的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 混合动力技术在汽车行业的应用

1．2．2 混合动力技术在轨道交通行业的应用

1．2．3 混合动力系统能量管理技术的研究现状

1．2．4 列车运行优化研究现状

1．3 研究目标及研究内容

第2章 混合动力列车系统建模

2．1 动力系统结构及功率流动关系

2．1．1 动力系统结构

2．1．2 功率流动关系

2．2 列车牵引计算模型

2．2．1 列车牵引特性

2．2．2 列车制动特性

2．2．3 列车运行阻力

2．3 车载储能装置模型

2．3．1 电池等效电路模型

2．3．2 电池特性

2．3．3 电池组串并联简化

2．3．4 车载储能系统容量配置

2．4 本章小结

第3章 混合动力列车运行优化策略

3．1 运行优化策略需求分析

3．2 区间优化模型

3．2．1 模型假设

3．2．2 电气化区段数学模型与约束

3．2．3 非电气化区段数学模型与约束

3．2．4 模型的向量表示

3．3 多阶段优化模型

3．3．1 阶段划分原则

3．3．2 多阶段模型转化

3．4 自适应伪谱法求解框架

3．4．1 伪谱法

3．4．2 自适应伪谱法

3．5 算法实现

3．5．1 求解工具

3．5．2 算法结构

3．6 本章小结

第4章 单区间优化仿真及影响因素分析

4．1 仿真列车数据

4．2 单区间优化仿真验证

4．2．1 电气化单区间仿真

4．2．2 非电气化单区间仿真

4．3 单区间运行优化策略影响因素分析

4．3．1 运行优化策略影响因素

4．3．2 电气化区段电量约束影响

4．3．3 电气化区段线路情况影响

4．3．4 非电气化区段车载储能装置充放电能力影响

4．4 本章小结

第5章 多区间运行时刻表优化

5．1 多区间运行时刻表优化问题描述

5．2 图定时刻运行仿真

5．2．1 仿真线路数据

5．2．2 图定时刻运行仿真

5．3 时刻表优化及运行仿真

5．3．1 优化模型转化

5．3．2 时刻表优化运行仿真

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果