随着社会经济的发展和城市化进程的加快,城市交通拥堵和汽车尾气排放等引起的环境污染问题已经成为困扰每个大中城市的顽疾。发展城市公共交通,尤其是城市轨道交通,以及新能源应用,是解决城市拥堵和空气污染的有效途径。其中,以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为基础的混合动力有轨电车,以其高效、环保等特点而被认为是一种潜力巨大的新型轨道交通工具,受到世界范围内的广泛关注,是目前国内外有轨电车技术的研究热点。本文提出了一种包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统、超级电容储能发电系统、光伏锂电储能辅助供电系统在内的现代有轨电车混合动力系统拓扑结构。为提高有轨电车动力系统运行稳定性和综合能效,分别对作为有轨电车主供电系统的PEMFC发电系统以及作为有轨电车辅助供电系统的光伏锂电储能辅助供电系统进行了研究。论文的主要研究成果如下：(1)构建了国内首台150kW PEMFC有轨电车研发测试平台,对整车动力系统结构以及整车控制策略进行了优化设计。在PEMFC系统独立测试和样车整车测试基础上,对有轨电车PEMFC电源系统特性进行了分析。(2)构建了基于频率响应分析法(FRA)的PEMFC稳态阻抗特性模型以及综合空气供给响应、阴阳极压力调整响应以及电流设定点响应动态特性的PEMFC综合动态响应模型,分别用于PEMFC与级联功率变换器的稳态耦合特性和动态耦合特性研究。在此基础上提出一种结合PEMFC阻抗特性模型的燃料电池与级联功率变换器(DC-DC或DC-AC)之间稳态耦合特性的量化分析方法,用于指导级联功率变换器输入级设计,满足PEMFC对输出电流纹波的约束要求；针对大功率水冷PEMFC发电系统与级联功率变换器之间动态响应不匹配导致的动态耦合问题,提出了一种PEMFC输出电流设定点前馈的I2V级联功率变换器主动控制策略,通过所建立的PEMFC综合动态响应模型对所提出的控制策略进行了仿真验证。(3)结合现代光伏电池材料光学特性,将薄膜光学计算方法与基于光线跟踪的概率路径估计方法相结合,提出了一种量化抗反射层干涉效应与晶硅层表面纹理结构对辐照度吸收效率影响的综合计算方法,在根据STFT (Special Transfer Function Theory)理论对光伏电池电气输出特性超越方程解耦基础上,构建了精确的光热特性耦合光伏电池模型,为所述光伏锂电储能辅助供电系统仿真提供了模型基础。(4)为提高有轨电车供电系统综合能效以及辅助供电系统运行稳定性,结合车体空间布局,提出了一种基于锂电无均衡管理(NBCM)的新型光伏锂电储能辅助供电系统拓扑结构,对该光伏锂电储能辅助供电系统模组控制单元进行了分析设计,结合所提出的光伏电池模型,对开发样机进行了仿真和实验验证。(5)对基于锂电无均衡管理的光伏锂电储能辅助供电系统模组拓扑结构进行优化设计,提出了一种由串联光伏电池电压自适应均衡单元与高效SEPIC馈电升降压变换单元级联的两级控制单元拓扑,以改善光伏电池阴影效应以及变换器高频开关动作引起的光伏电池阵列对地漏电流的影响；在此基础上结合Lyapunov开关算子和极值搜索理论对该光伏锂电储能系统模组控制策略进行了优化设计,提出了一种基于2-Lyapunov开关的耦合极值搜索最大功率跟踪(MPPT)控制策略,改善了阴影效应对光伏电池输出功率的影响。
