燃料電池是全世界公認的未來(lái)最佳車(chē)載能源，然而大功率應用場(chǎng)景下用氫效率的不足明顯制約了其在軌道交通領(lǐng)域大規模產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。為此，蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院的研究人員高鋒陽(yáng)、張浩然、王文祥、李明明、高翾宇在2022年第3期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，以實(shí)現功率分配全局最優(yōu)和提升燃料經(jīng)濟性為核心目標，提出了一種適用于氫燃料電池有軌電車(chē)混合儲能系統的能量管理策略。

團隊介紹
高鋒陽(yáng)，教授級高工，教育部學(xué)位中心論文評審專(zhuān)家。主持獲得省部級科技進(jìn)步二等獎、三等獎各一項，廳級科技獎三項。曾參加國家“九五”大科學(xué)工程—HIFFL-CSR電源系統工程建設，主持完成縱、橫向課題10余項。主編教材和著(zhù)作各一部，發(fā)表SCI、EI論文30余篇。

張浩然，碩士研究生，現就職于中國鐵道科學(xué)研究院。主要從事現代有軌電車(chē)能量管理系統建模及優(yōu)化控制研究，曾主研國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目，近2年發(fā)表中文EI論文3篇。

研究背景
大力發(fā)展資源節約型、環(huán)境友好型的城市軌道交通車(chē)輛，緩解汽車(chē)帶給城市地面公共交通的擁堵、環(huán)境污染等壓力，已成為實(shí)現城市雙碳愿景的必由之路。

氫燃料電池是實(shí)現氫能轉換為電能利用的關(guān)鍵載體，相較于傳統燃煤發(fā)電具有綠色節能、高能量轉換率以及噪聲小等突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結合超級電容/鋰電池混合儲能系統所具備的高效制動(dòng)能量回收的優(yōu)勢，構建現代有軌電車(chē)的新型牽引供電制式，能夠使動(dòng)力系統兼具高功率密度和高能量密度優(yōu)勢的同時(shí)，實(shí)現真正意義上的零碳排放，已逐漸成為新時(shí)代軌道電車(chē)無(wú)接觸網(wǎng)受流的理想方案。

論文所解決的問(wèn)題及意義
本文針對城市軌道交通運行工況中電氣化負荷的空間分布廣泛、沖擊性強、強脈動(dòng)寬頻域變化等特性下氫燃料電池混合動(dòng)力系統的能量管理問(wèn)題，提出了一種節能運行優(yōu)化策略，以傳統ECMS策略為基礎，將目標函數中等效氫耗最小化改寫(xiě)為外部電源能耗最大化，避免了等效能量因子過(guò)于依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗所導致的能量管理系統對儲能系統等效氫耗評估精確度不足的缺陷，進(jìn)而解決了瞬時(shí)優(yōu)化策略應對負載突變魯棒性差的問(wèn)題，為進(jìn)一步工程化裝車(chē)運行驗證和示范運營(yíng)奠定基礎。

論文方法及創(chuàng )新點(diǎn)
搭建車(chē)載動(dòng)力系統仿真平臺，如圖1所示。根據各自的能量流特性，分別采用單向和雙向變流器對燃料電池和鋰電池進(jìn)行控制，并連接到直流母線(xiàn)上。由于超級電容在該系統中的作用主要是“削峰填谷”，因此采用未經(jīng)變流器直接并聯(lián)于直流側母線(xiàn)端的形式。能量管理控制器調控各變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)使三者匹配工作。與此同時(shí)采用三相可編程負載模擬行駛工況進(jìn)行在線(xiàn)運行驗證。

圖1 有軌電車(chē)復合供電系統仿真平臺

與傳統ECMS策略相比，所提策略旨在通過(guò)在SOC約束范圍內最大化外部電源出力，間接地降低燃料電池負載壓力，如圖2所示。

圖2 本策略與傳統策略控制框圖的對比

通過(guò)EEMS算法確定鋰電池和燃料電池參考功率，并采用超級電容電壓相對母線(xiàn)電壓的偏移量調節其充放電參考功率，以穩定母線(xiàn)電壓。燃料經(jīng)濟性方面通過(guò)對負載功率的實(shí)時(shí)采樣，以滿(mǎn)足功率需求和鋰電池不過(guò)放的約束，采用離線(xiàn)優(yōu)化算法求取燃料電池瞬時(shí)輸出功率的個(gè)體最優(yōu)解，通過(guò)對n次采樣后的燃料電池凈輸出能量進(jìn)行整合，以總能量最低為目標判斷是否為全局最優(yōu)的氫氣消耗量。

結論
1)與傳統的ECMS策略相比，通過(guò)最大化外部電源出力，使所提策略對負載變載的魯棒性更強，進(jìn)而為能耗測算及能量補給評估提供了理論依據，擴大了能量管理策略的適用范圍。

2)與同類(lèi)策略相比，所提策略在實(shí)現了燃料電池輸出功率波動(dòng)范圍、鋰電池SOC和母線(xiàn)電壓偏移范圍、各能量源應力分布以及整體效率多重全局最優(yōu)的同時(shí)，大幅度降低了氫氣消耗，其核心優(yōu)勢體現在兼具高功率密度、高能量密度和高用氫效率。

3)所提策略算法和控制結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，并應用實(shí)測運行工況在線(xiàn)驗證了其有效性和優(yōu)越性，能夠為指導燃料電池混合動(dòng)力有軌電車(chē)儲能系統參數匹配設計及優(yōu)化整車(chē)動(dòng)力系統性能提供參考。

引用本文
“高鋒陽(yáng), 張浩然, 王文祥, 李明明, 高翾宇. 氫燃料電池有軌電車(chē)混合儲能系統的節能運行優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(3): 686-696. Gao Fengyang, Zhang Haoran, Wang Wenxiang, Li Mingming, Gao Xuanyu. Energy Saving Operation Optimization of Hybrid Energy Storage System for Hydrogen Fuel Cell Tram. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(3): 686-696.