双源无轨电车车载储能系统及新型供电网络优化控制

摘要

双源无轨电车由车载储能系统和地面供电网络提供双动力源，兼顾有尾气零排放、节约能源、行驶灵活、投资少、建设周期短等优势，成为大中城市公共交通发展的优先选择。随着双源无轨电车的大规模推广和应用，车辆的机动性、运行路况的复杂性和供电网络结构的不确定性，给双源无轨电车的安全、可靠和有效运行带来了极大的挑战。
　　本文首先基于北京市双源无轨电车及供电网络系统的实际参数和运行数据，分析了双源无轨电车的能耗特性，建立了供电网络分段容量估计的模型，并分别利用电网络分析计算和软件仿真的方法，对供电网络分段和系统的容量进行了评估，得出了现有地面供电网络系统及运行管理技术不能满足双源无轨电车发展需求的结论。
　　针对现有供电网络系统，建立了车载储能系统出力的优化控制模型，并利用最优控制算法在约束条件下对模型进行求解，同时，采用线性自回归的方法建立车辆的行驶功率需求预测模型，利用带遗忘因子的递归最小二乘法对预测模型参数进行辨识，并通过有限冲激响应低通滤波器来提高预测精度，融合最优控制和行驶功率需求预测，提出了基于预测的车载储能系统的分布式最优控制策略，控制车载储能系统的出力。应用车辆实际运行数据的仿真结果表明，利用该算法在不影响车辆运行的条件下，可以大大降低分段馈线的电流，从而能容纳更多数量双源无轨电车的行驶，提高供电基础设施资源的利用率。
　　针对现有供电网络存在的分段馈线电流不均的问题，提出了新型的分布式供电网络技术，提出了约束和加权一致性控制算法，对新型供电网络进行能量管理，仅通过相邻分段的通信，实现整个供电网络分段馈线电流的均衡，理论分析和证明了提出的一致性控制算法的稳定性，并提出了大观测误差条件下一致性控制算法收敛性的改进方法，使各分段的馈线电流能较快地、平滑地收敛到全局平衡分配的目标。在各分段额定容量不一致时，还可使各个分段的馈线电流按照各自的容量成比例的输出，实现全局的加权平均。分析和研究了提出的约束和加权一致性控制算法的鲁棒性和可扩展性，并通过仿真实例验证了算法应对实际运行线路负荷突变、供电网络重组等复杂工况的可行性和有效性。
　　最后对前文的单目标能量管理模型进行改进，提出了权衡馈线电流平衡和降低线路功率损耗的新型供电网络能量优化管理模型，分别给出了全局优化方法和分布式优化方法的解，证明了在分段额定容量一致情形下，只利用相邻分段信息的分布式优化方法可以实现全局最优解，并给出了基于一致性控制的分布式迭代算法，对多目标能量优化管理模型进行求解。通过选取不同的权重因子，可以实现不同的权衡目标，在实际应用时，可根据不同的应用场景、双源无轨电车不同的发展阶段，合理选择权重因子。

目录

声明

致谢

摘要

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 北京市双源无轨电车发展现状

1．2．1 发展历程

1．2．2 发展规划

1．3 北京市双源无轨电车发展过程中的主要问题及研究现状

1．3．1 北京市双源无轨电车供电网络

1．3．2 双源无轨电车发展过程中的主要问题

1．3．3 国内外相关研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 双源无轨电车供电网络分段容量估计

2．1 供电网络分段容量限制条件

2．1．1 馈线电流

2．1．2 车线末端电压

2．2 供电网络分段容量影响因素

2．2．1 分段供电能力影响因素

2．2．2 车辆运行功率需求影响因素

2．3 供电网络分段容量估计

2．3．1 基于平均功率的分段容量评估

2．3．2 基于最大平均功率的分段容量评估

2．4 现有供电网络容量及利用率

2．4．1 分段车辆数量分布规律

2．4．2 现有地面供电网络车辆数量估计

2．4．3 现有地面供电网络容量及利用率

2．5 本章小结

3 双源无轨电车车载储能系统优化控制

3．1 双源无轨电车车载储能系统模型及控制问题

3．1．1 基本模型描述

3．1．2 车载储能系统的优化控制问题描述

3．2 车载储能系统最优控制模型

3．2．1 局部最优控制算法

3．2．2 最优控制算法的求解

3．2．3 算例分析

3．3 双源无轨电车行驶动态模型

3．4 双源无轨电车行驶功率需求预测

3．4．1 行驶功率需求预测的重要性

3．4．2 行驶功率需求预测算法

3．5 基于行驶功率需求预测的车载储能系统优化控制

3．5．1 车载储能系统的分布式预测控制

3．5．2 仿真算例分析

3．6 本章小结

4 双源无轨电车新型供电网络能量管理

4．1 新型供电网络模型

4．1．1 现有供电网络的主要问题

4．1．2 新型地面供电网络

4．2 基于一致性控制的供电网络能量管理

4．2．1 一致性控制算法

4．2．2 收敛性分析

4．2．3 仿真算例分析

4．2．4 大观测误差条件下收敛性改进

4．3 基于约束和加权一致性控制的供电网络能量管理

4．3．1 约束和加权一致性控制算法

4．3．2 仿真算例分析

4．4 算法的鲁棒性和可扩展性

4．4．1 鲁棒性

4．4．2 可扩展性

4．5 本章小结

5 双源无轨电车新型供电网络能量优化管理

5．1 新型供电网络能量优化管理方法

5．1．1 基本控制模型结构

5．1．2 性能指标和全局优化

5．1．3 分布式优化

5．2 基于分布式迭代算法的能量优化管理

5．2．1 基于一致性控制改进的分布式迭代算法

5．2．2 收敛性分析

5．2．3 仿真算例分析

5．3 基于加权分布式迭代算法的能量优化管理

5．3．1 加权的能量优化管理方法

5．3．2 加权分布式迭代算法

5．3．3 仿真算例分析

5．4 本章小结

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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