混合动力动车组直流侧稳定性研究及能量控制管理

摘要

随着新能源技术的不断发展及混合动力汽车的巨大成功，混合动力系统在轨道交通领域的应用成为热门的研究方向。本文依托“十二五”国家科技支撑计划重点项目“混合动力动车组关键技术研究与典型样车研制”，从混合动力系统的电气稳定性和能量稳定性两个角度出发，就双向DC/DC变换器-逆变器级联系统的稳定性分析与优化、混合动力系统特性及能量管理策略分别开展研究，并通过模型仿真及样车实验对研究成果进行验证。
　　作为系统稳定性分析的理论基础，本文首先结合主电路设计需求，选择双向Buck/Boost电路作为双向DC/DC变换器的拓扑结构，根据开关元件平均法，分别对Buck和Boost模式进行小信号建模，得到相应的开环阻抗，并设计了电压外环电流内环的双闭环控制系统，基于闭环小信号系统框图，推导闭环阻抗表达式。
　　随后引入了级联系统稳定性分析的阻抗比判据，基于阻抗波特图和阻抗比的奈奎斯特曲线，验证了列车全速度范围内双向DC/DC-逆变器级联系统的开环稳定性，定性分析了逆变器负载的负阻抗特性对稳定性的影响，结合前后级系统的闭环输入输出阻抗，研究全速度范围及不同电感电容参数下直流侧稳定性的变化并进行仿真验证，以此为依据，提出了基于虚拟电容的稳定性改善措施。
　　接下来，通过牵引计算分析系统能量需求，进行了混合动力容量配置与关键器件选型，并对系统的两大核心组件柴油发电机组及动力电池组进行特性研究，建立了柴油发电机组下垂输出电压统一表达式、不同转速功率下的油耗曲线，根据电池组特性规划SOC分区运行图，作为能量管理的参考与依据。
　　随后，本文根据混合动力动车组的运行特点，结合低油耗原则提出了基于规则的逻辑门限管理策略，着重研究控制策略的设计与实现，完成柴油发电机组的转速控制、基于下垂特性的动力电池充放电控制及负载管理控制，通过仿真结果验证该策略对电源之间、电源与负载的能量协调作用，最后通过的混合动力样车实验，证明混合动力能量管理与控制策略可实现能量的合理流动与分配，满足列车运行需求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究与应用现状

1．2．1 混合动力车辆发展现状

1．2．2 级联系统稳定性研究现状

1．2．3 混合动力能量管理研究现状

1．3 本文的主要内容和工作

2 混合动力系统双向DC／DC变换器建模与阻抗分析

2．1 双向DC／DC变换器拓扑与工作原理

2．2 双向DC／DC变换器系统建模

2．2．1 Boost模式开关元件平均模型

2．2．2 Buck模式开关元件平均模型

2．3 双向DC／DC变换器闭环阻抗分析

2．3．1 双向DC／DC变换器双闭环控制系统

2．3．2 Boost模式闭环输出阻抗

2．3．3 Buck模式闭环输入阻抗

2．4 本章小结

3 双向DC／DC-逆变器级联系统稳定性分析与优化

3．1 级联系统稳定性的阻抗比判据

3．2 级联系统开环稳定性分析

3．2．1 Boost模式开环稳定性分析

3．2．2 Buck模式开环稳定性分析

3．2．3 逆变器-电机负载特性对系统稳定性的影响

3．3 级联系统闭环稳定性分析

3．3．1 Boost模式闭环稳定性分析

3．3．2 Buck模式闭环稳定性分析

3．4 基于虚拟电容的稳定性改善方法

3．5 小结

4 混合动力系统能量配置与特性研究

4．1 混合动力动车能量计算与配置

4．1．1 混合动力动车组运行特性

4．1．2 混合动力动车组能量需求

4．1．3 混合动力动车组容量配置

4．2 柴油发电机组特性研究

4．2．1 柴油发电机组基本结构及仿真建模

4．2．2 柴油发电机组下垂输出特性研究

4．2．3 柴油发电机组油耗分析

4．3 动力电池组特性研究

4．3．1 动力电池选型与成组参数

4．3．2 钛酸锂电池特性与仿真

4．3．3 电池工作模式分析

4．4 本章小结

5 混合动力系统能量管理与控制

5．1 混合动力逻辑门限能量管理策略

5．1．1 基于规则的逻辑门限管理策略

5．1．2 综合柴油发电机油耗的逻辑门限管理策略

5．2 混合动力控制策略设计与实现

5．2．1 柴油发电机组转速控制

5．2．2 基于下垂特性的动力电池充放电控制

5．2．3 负载能量管理

5．2．4 控制策略仿真验证

5．3 混合动力能量管理实验波形

5．3．1 牵引工况

5．3．2 惰行工况

5．3．3 制动工况

5．4 小结

6 结论与展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间的研究成果

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