车载光伏储能系统样车研制与能量管理策略研究

摘要

铁路的快速发展伴随着惊人的能耗，而牵引能耗在铁路总能耗中的占比超过70%。为降低能耗，近年来铁路部门发布多项政策促进可再生能源在牵引系统中的应用。太阳能以其分布广泛、无噪音、无污染等优点完美契合铁路部门应用要求。考虑到我国牵引列车数量多且可利用空间广阔的特点，本文针对光伏在车辆上的应用做如下方面的研究：　　(1)调研我国铁路节能技术应用现状、太阳能资源储量情况和光伏产业发展现状；针对实际应用场景选择适用于列车车载光伏发电系统的组件类型，并制定相应的安装方案、接入方案及能量消纳方案；参照所提安装及接入方案，搭建车载光伏发电系统样车，并配置相应的数据采集系统和控制系统，为后文中分析光伏发电系统发电量和验证能量管理算法提供实验平台；　　(2)介绍光伏发电系统的原理及输出特性，针对车载光伏发电系统安装及应用的特殊性，修正光伏发电系统发电量预测模型，计算寿命周期内光伏发电系统的发电量；将上述计算方法代入至光伏样车中与实际情况对比，并给出结果分析；　　(3)针对车载光伏发电系统接入24V母线的方案，以储能充放电功率、SOC、光伏发电系统的能量消纳率以及负荷负载率为限制条件，计算储能最佳安装容量，以校验原有车载储能发电系统的匹配性；　　(4)光伏发电系统的接入改变了车辆原有的供电结构，需制定相应的能量管理策略。针对车载光伏发电系统光照条件变化迅速、阴影条件多样等特点，提出适用于车载光伏发电系统的全局最大功率追踪(GMPPT)控制策略，并以仿真和实物与常规算法相对比，验证所提算法的可行性；以电池SOC和光伏输出功率为状态变量，以蓄电池输出功率为控制变量，搭建模糊逻辑控制策略并仿真分析其性能，结果表明，此策略可在保证列车安全运行的前提下，最大限度提升光伏发电系统的能量消纳率；　　(5)针对车载光伏发电系统，建立虑及成本、收益、净现值和系统效率等因素的经济学模型，计算车载光伏发电系统的收益率，并给出各类参数调整对系统收益率的影响，其结果对本课题的实际推广具有一定借鉴意义。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 太阳能发电技术现状

1.2.2 车载光伏发电系统的应用现状

1.2.3 最大功率追踪研究现状

1.2.4 微电网能量分配策略现状

1.3 本文主要工作

第2章光伏组件选型及安装接入方案

2.1 组件选型

2.1.1 晶体硅太阳能电池

2.1.2 薄膜太阳能电池

2.1.3 选型结果

2.2系统安装接入方案

2.2.1 安装方案

2.2.2 接入方案

2.3 本章小结

第3章车载光伏发电系统样车搭建

3.1 光伏样车电气系统

3.1.1 光伏发电系统

3.1.2 数据采集系统

3.1.3 辅助供电及储能系统

3.2 上位机系统

3.2.1 监测上位机

3.2.2 调控上位机

3.3 本章小结

第4章车载光伏发电系统发电量及储能匹配分析

4.1 光伏单体输出特性分析

4.2 发电量计算

4.3 实验验证

4.4 储能匹配分析

4.4.1 优化模型

4.4.2 目标函数

4.4.3 约束条件

4.4.4 结果分析

4.5 本章小结

第5章车载光伏发电系统能量管理策略

5.1 全局最大功率追踪策略

5.1.1 问题机理

5.1.2 仿真模型

5.1.3 阵列参数修正

5.1.4 全局最大功率追踪控制策略

5.1.5 仿真验证

5.1.6 实验验证

5.2 混合动力系统能量分配策略

5.2.1 模糊逻辑控制策略

5.2.2 仿真模型

5.2.3 结果分析

5.3 本章小结

第6章车载光伏发电系统经济性分析

6.1 成本模型

6.2 收益模型

6.2.1 直接收益

6.2.2 间接收益

6.3 净现值法

6.4 经济学取值

6.5 结果分析

6.6 模型参数对经济性的影响

6.6.1 成本参数

6.6.2 收益参数

6.6.3 折现率

6.7 本章小结

结论和展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果