低地板轻轨列车混合动力储能系统研究

摘要： 在城市重点景区或交通枢纽区无法架设接触网,为轻轨列车加装储能装置可以使轻轨车在有无电区线路上运行。本课题对低地板轻轨列车基于蓄电池和超级电容的车载混合动力储能系统关键技术进行研究,主要围绕储能系统能量管理单元设计、控制和实现展开工作,实现轻轨列车无接触网线路运行目标。 首先,完成了混合动力储能系统能量管理单元总体设计。从分析轻轨列车脉冲功率负荷特性入手,选择蓄电池和超级电容作为储能元件。系统结构采用两种储能元件分别通过两套双向DC/DC变换器并联使用,为轻轨列车的主变系统和辅变系统提供稳定的直流电压,同时吸收再生制动能量。结合两种储能元件的优势制定能量分配策略,蓄电池能量密度较大,为轻轨车整个续航提供能量；超级电容功率密度较大,提供牵引时瞬时峰值功率并吸收再生制动能量。在此基础上根据实际低地板车技术参数和运行条件核算牵引能量和功率需求并完成了储能元件的匹配设计。 其次,完成了混合动力储能系统双向DC/DC变换器建模和控制器设计。在分析双向DC/DC变换器工作原理的基础上,基于状态空间平均法建立混合动力储能系统动态数学模型。采用频域中波特图对补偿前后对控制器性能对比分析,最终设计相应的反馈控制器并在MATLAB仿真平台完成了的控制策略仿真验证。 然后,在理论分析和仿真验证的基础上完成了混合动力储能系统双向DC/DC变换器硬件设计,包括了主电路、控制电路、驱动电路以及电源电路。在硬件平台上对控制策略进行了算法实现并进行了地面实验。实验结果表明系统硬件结构、参数设计合理,双向DC/DC变换器控制策略以及能量分配控制策略有效。地面实验显示了控制系统具有良好的动态性能和稳态性能。