一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法技术

本发明专利技术公开一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法，根据目标线路信息及站点信息和列车调度方案，获得燃料电池有轨电车中储能系统每相邻区间SOC降低标准；采用基于极限学习机的自适应规划算法计算列车在不同载重条件下列车在各个运行区间中的最优功率分配关系包括功率时间曲线以及动力系统SOC变化曲线，并以矩阵形式存储至车辆自动运行系统；在所述车辆自动运行系统中通过基于模糊控制方法获得下一运行区间的最优功率分配方案。本发明专利技术使列车实际运行的能量管理方法的具体参数能够随着载重量的变化而自适应调整，有效降低列车能耗水平，提高了列车在实际运行中可以采用离线能量管理方法的可行性。

An approximate optimal energy management method for daily operation of fuel cell trams

The invention discloses a fuel cell tram daily operation approximate optimal energy management method. According to the target line information, station information and train scheduling scheme, the SOC reduction standard of each adjacent section of the energy storage system in the fuel cell tram is obtained; the adaptive planning algorithm based on the limit learning machine is used to calculate the SOC reduction of the train in each operation section under different load conditions The optimal power distribution relationship includes the power time curve and the SOC change curve of the power system, which are stored in the form of matrix to the vehicle automatic operation system. In the vehicle automatic operation system, the optimal power distribution scheme of the next operation interval is obtained based on the fuzzy control method. The invention enables the specific parameters of the energy management method for the actual operation of the train to adjust adaptively with the change of the load capacity, effectively reduces the energy consumption level of the train, and improves the feasibility of the off-line energy management method for the actual operation of the train.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法
本专利技术属于燃料电池有轨机车
，特别是涉及一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法。
技术介绍
燃料电池具有能量转化效率高的优势，且对环境完全无污染，因此由它作为核心的燃料电池混合动力系统近年来受到极大关注，且被应用到了轨道交通领域，形成了一种新型的有轨电车制式——燃料电池有轨电车。由于燃料电池有轨电车具有工况固定的特点，所以可以对燃料电池有轨电车的能量管理进行离线的全局最优化设计。尤其是基于ELM-ADP所设计的能量管理方法是各种在线、离线方法中控制效果近似最优化。但是由于离线的能量管理方法一般是基于列车的功率-时间曲线所设计的，而实际运行的列车只有速度曲线相对固定，功率-时间曲线会随着载重量的区别发生较大的变化。因此，根据某条固定的功率-时间曲线所离线计算得到的最优能量管理方法常常于在线使用时失效，远远达不到预期的控制效果。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法，将离线优化与在线调整相结合的方法，使列车实际运行的能量管理方法的具体参数能够随着载重量的变化而自适应调整，有效降低列车能耗水平，解决了实际中原有能量管理方法控制效果不佳的问题，提高了列车在实际运行中可以采用离线能量管理方法的可行性。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法，包括步骤：S100,由燃料电池有轨电车运营主管部门获取对目标线路的状态数据包括列车调度方案、单列列车速度位置曲线和车辆参数数据；S200,根据目标线路信息及站点信息和列车调度方案，获得燃料电池有轨电车中储能系统每相邻区间SOC降低标准，使列车每日以储能系统满电量状态开始运行，并以最低电量结束运行，以降低车辆实际氢耗水平和运行成本；S300,建立有轨电车动力学模型，辨识列车基本阻力系数；基于所述单列车速度位置曲线，采用基于极限学习机的自适应规划算法计算列车在不同载重条件下列车在各个运行区间中的最优功率分配关系包括功率时间曲线以及动力系统SOC变化曲线，并以矩阵形式存储至车辆自动运行系统；S400,实际运行的列车在停站时，通过装置于车底的重量传感器在线采集得到当前列车的载重量数据，然后输入至所述车辆自动运行系统；在所述车辆自动运行系统中通过基于模糊控制方法获得下一运行区间的最优功率分配方案；S500,所述车辆自动运行系统控制燃料电池级联DC/DC变换器输出，间接实现对燃料电池输出功率的控制，储能系统补充输出或回收制动功率。进一步的是，在所述步骤S200中，根据列车调度方案，计算有轨电车每列每日的运行总里程L；取储能系统电量可利用区间为[x1％,x2％]，基于对线路路况的统计分析，计算有轨电车储能系统每相邻区间降低SOC的数值。进一步的是，通过对线路路况的统计分析计算有轨电车储能系统每相邻区间降低SOC的数值，包括步骤：计有轨电车日运行平直路段总里程系数为：L＝L1+L2+L3+…+Ln；计有轨电车日运行爬坡总里程系数为：U＝β1×U1+β2×U2+β3×U3+…+βn×Un；计有轨电车日运行下坡总里程系数：D＝ρ1-1×D1+ρ2-1×D2+ρ3-1×D3+…+ρn-1×Dn；计有轨电车日运行弯道行驶总里程系数为：R＝ω1-1×R1+ω2-1×R2+ω3-1×R3+…+ωn-1×Rn；其中，Ln、Un、Dn和Rn分别代表第n段运行区间的平直路段长度、爬坡路段长度、下坡路段长度和弯道路段长度；βn、ρn和ωn分别为第n段运行区间中爬坡路段平均坡度、下坡路段平均坡度和弯道路段平均曲率半径；则第n段区间降低的SOC数值参考值为：ΔSOCref＝(Ln+β1×U1+ρ1-1×D1+ω1-1×R1)×(x2-x1)/(L+U+D+R)。进一步的是，在所述步骤S300中，基于牛顿公式对列车进行动力学建模，建立有轨电车动力学模型；并基于基本阻力公式与速度位置曲线进行有轨电车单区间运行的功率时间曲线估算；采用基于Levenberg-Marquardt迭代的拟合法获得基本阻力公式中的阻力系数A、B和C，具体包括步骤：对燃料电池有轨电车进行型式试验，获得其在平直路段匀速运行时的速度与功率的实验数据，此时列车仅克服基本阻力做功；根据牛顿公式和实验数据，逆推基本阻力与速度的关系；采用基于Levenberg-Marquardt迭代法辨识阻力系数A、B和C，计算方法包括步骤：对于燃料电池有轨电车系统：y＝f(x,c)；其中，y为测量的基本阻力计算值，x为列车速度，c为待辨识参数；且有：c(k+1)＝c(k)+(JTJ+λI)-1JTr(c(k))；其中，I为单位矩阵，J为雅可比矩阵，λ阻尼因子λ＞0，r为残差，i为第i组实验数据；且有：ri＝f(xi,c)-yi。进一步的是，所述计算列车在不同载重条件下列车在各个运行区间中的最优功率分配关系中，所述运行区间为列车运行每相邻两个站点间；所述载重条件包括从空载到满载，以固定间隔生成的m种载重情况。进一步的是，采用基于极限学习机的自适应规划算法计算列车在不同载重条件下的每相邻两个站点间的最优功率分配关系中，所述自适应规划算法利用函数近似结构，采用逐次迭代的方法逼近动态规划方程中的性能指标函数和控制策略，从而逐渐逼近获取最优功率分配关系；所述自适应规划算法的计算过程通过递推公式表示：其中，x(j)是系统当前状态，x(j+1)指在控制决策u(j)下的系统下一采样时刻的状态，p(x(j),u(j))表示在状态x(j)下采用u(j)决策下的即时惩罚值函数，J*(x(j+1))表示在状态x(j+1)状态值函数；以储能系统中蓄电池的SOC为状态量，以燃料电池输出功率参考值PFC为控制量，状态转移方程和代价函数分别为：其中，CH2为系统的等效氢耗量，包括燃料电池瞬时氢耗和锂电池瞬时等效氢耗两部分；j为该区间内的控制阶段，且总计k个阶段；系统需要满足的约束包括：PFC(j)+PBAT(j)＝Pload(j)，PFCmin≤PFC(j)≤PFCmax，PBATmin≤PBAT(j)≤PBATmax；其中，PFC和PBAT为燃料电池和蓄电池功率；PFCmin和PFCmax分别为燃料电池最小，最大可输出功率；PBATmin和PBATmax分别为蓄电池最小，最大可输出功率；系统始末状态需要满足下式：SOCinitial-SOCend＝ΔSOCref；其中，SOCinitial和SOCend分别指列车于该段区间运行开始及结束时的储能系统SOC数值，ΔSOCref为所得的第n段区间降低的SOC数值参考值；同样的，对于n个运行区间下的每种载重条件都分别采用自适应规划算法计算使能耗最低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法，其特征在于，包括步骤：/nS100,由燃料电池有轨电车运营主管部门获取对目标线路的状态数据包括列车调度方案、单列列车速度位置曲线和车辆参数数据；/nS200,根据目标线路信息及站点信息和列车调度方案，获得燃料电池有轨电车中储能系统每相邻区间SOC降低标准；/nS300,建立有轨电车动力学模型，辨识列车基本阻力系数；基于所述单列车速度位置曲线，采用基于极限学习机的自适应规划算法计算列车在不同载重条件下列车在各个运行区间中的最优功率分配关系包括功率时间曲线以及动力系统SOC变化曲线，并以矩阵形式存储至车辆自动运行系统；/nS400,实际运行的列车在停站时，通过装置于车底的重量传感器在线采集得到当前列车的载重量数据，然后输入至所述车辆自动运行系统；在所述车辆自动运行系统中通过基于模糊控制方法获得下一运行区间的最优功率分配方案；/nS500,所述车辆自动运行系统控制燃料电池级联DC/DC变换器输出，间接实现对燃料电池输出功率的控制，储能系统补充输出或回收制动功率。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法，其特征在于，包括步骤：
S100,由燃料电池有轨电车运营主管部门获取对目标线路的状态数据包括列车调度方案、单列列车速度位置曲线和车辆参数数据；
S200,根据目标线路信息及站点信息和列车调度方案，获得燃料电池有轨电车中储能系统每相邻区间SOC降低标准；
S300,建立有轨电车动力学模型，辨识列车基本阻力系数；基于所述单列车速度位置曲线，采用基于极限学习机的自适应规划算法计算列车在不同载重条件下列车在各个运行区间中的最优功率分配关系包括功率时间曲线以及动力系统SOC变化曲线，并以矩阵形式存储至车辆自动运行系统；
S400,实际运行的列车在停站时，通过装置于车底的重量传感器在线采集得到当前列车的载重量数据，然后输入至所述车辆自动运行系统；在所述车辆自动运行系统中通过基于模糊控制方法获得下一运行区间的最优功率分配方案；
S500,所述车辆自动运行系统控制燃料电池级联DC/DC变换器输出，间接实现对燃料电池输出功率的控制，储能系统补充输出或回收制动功率。


2.根据权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法，其特征在于，在所述步骤S200中，根据列车调度方案，计算有轨电车每列每日的运行总里程L；取储能系统电量可利用区间为[x1％,x2％]，基于对线路路况的统计分析，计算有轨电车储能系统每相邻区间降低SOC的数值。


3.根据权利要求2所述的一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法，其特征在于，通过对线路路况的统计分析计算有轨电车储能系统每相邻区间降低SOC的数值，包括步骤：
计有轨电车日运行平直路段总里程系数为：
L＝L1+L2+L3+…+Ln；
计有轨电车日运行爬坡总里程系数为：
U＝β1×U1+β2×U2+β3×U3+…+βn×Un；
计有轨电车日运行下坡总里程系数：
D＝ρ1-1×D1+ρ2-1×D2+ρ3-1×D3+…+ρn-1×Dn；
计有轨电车日运行弯道行驶总里程系数为：
R＝ω1-1×R1+ω2-1×R2+ω3-1×R3+…+ωn-1×Rn；
其中，Ln、Un、Dn和Rn分别代表第n段运行区间的平直路段长度、爬坡路段长度、下坡路段长度和弯道路段长度；βn、ρn和ωn分别为第n段运行区间中爬坡路段平均坡度、下坡路段平均坡度和弯道路段平均曲率半径；
则第n段区间降低的SOC数值参考值为：
ΔSOCref＝(Ln+β1×U1+ρ1-1×D1+ω1-1×R1)×(x2-x1)/(L+U+D+R)。


4.根据权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法，其特征在于，在所述步骤S300中，基于牛顿公式对列车进行动力学建模，建立有轨电车动力学模型；并基于基本阻力公式与速度位置曲线进行有轨电车单区间运行的功率时间曲线估算；采用基于Levenberg-Marquardt迭代的拟合法获得基本阻力公式中的阻力系数A、B和C，具体包括步骤：
对燃料电池有轨电车进行型式试验，获得其在平直路段匀速运行时的速度与功率的实验数据，此时列车仅克服基本阻力做功；
根据牛顿公式和实验数据，逆推基本阻力与速度的关系；
采用基于Levenberg-Marquardt迭代法辨识阻力系数A、B和C，计算方法包括步骤：
对于燃料电池有轨电车系统：y＝f(x,c)；
其中，y为测量的基本阻力计算值，x为列车速度，c为待辨识参数；



且有：c(k+1)＝c(k)+(JTJ+λI)-1JTr(c(k))；
其中，I为单位矩阵，J为雅可比矩阵，λ阻尼因子λ＞0，r为残差，i为第i组实验数据；
且有：ri＝f(xi,c)-yi。


5.根据权利要求1所述的一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法，其特征在于，所述计算列车在不同载重条件下列车在各个运行区间中的最优功率分配关系中，所述运行区间为列车运行每相邻两个站点间；所述载重条件包括从空载到满载，以固定间隔生成的m种载重情况。


6.根据权利要求5所述的一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈维荣，张国瑞，李奇，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51