阅读说明：本技术 一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法 (approximate optimal energy management method for daily operation of fuel cell tramcar ) 是由 陈维荣 张国瑞 李奇 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses an approximately optimal energy management method for daily operation of a fuel cell tramcar, which is characterized by obtaining SOC reduction standards of each adjacent interval of an energy storage system in the fuel cell tramcar according to target line information, station information and a train scheduling scheme; calculating the optimal power distribution relation of the train in each running interval under different load conditions by adopting an adaptive planning algorithm based on an extreme learning machine, wherein the optimal power distribution relation comprises a power-time curve and a power system SOC change curve, and storing the optimal power distribution relation to a vehicle automatic running system in a matrix form; and obtaining the optimal power distribution scheme of the next operation interval in the vehicle automatic operation system through a fuzzy control method. The invention enables the specific parameters of the energy management method for the actual operation of the train to be adaptively adjusted along with the change of the loading capacity, effectively reduces the energy consumption level of the train and improves the feasibility of adopting an off-line energy management method in the actual operation of the train.)

一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法

技术领域

本发明属于燃料电池有轨机车技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

为了解决上述问题，本发明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，本发明采用的技术方案是：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+…+L_n；

计有轨电车日运行爬坡总里程系数为：

U＝β₁×U₁+β₂×U₂+β₃×U₃+…+β_n×U_n；

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+…+ρ_n ^-1×D_n；

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+…+ω_n ^-1×R_n；

其中，L_n、U_n、D_n和R_n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；β_n、ρ_n和ω_n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：

ΔSOC_ref＝(L_n+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)+(J_TJ+λI)^-1J^Tr(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：r_i＝f(x_i,c)-y_i。

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P_FC为控制量，状态转移方程和代价函数分别为：

其中，C_H2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：

P_FC(j)+P_BAT(j)＝P_load(j)，

P_FCmin≤P_FC(j)≤P_FCmax，

P_BATmin≤P_BAT(j)≤P_BATmax；

其中，P_FC和P_BAT为燃料电池和蓄电池功率；P_FCmin和P_FCmax分别为燃料电池最小，最大可输出功率；P_BATmin和P_BATmax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：

SOC_initial-SOC_end＝ΔSOC_ref；

其中，SOC_initial和SOC_end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，ΔSOC_ref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的该区间最优功率分配关系，共计得到n乘m种最优功率分配关系，每种分配关系包含k步决策；对于每种载重条件下的通过自适应规划算法得到的燃料电池参考功率矩阵分别对应地命名为PFC₁，PFC₂，PFC₃…PFC_m，且均为运行区间n×每个运行区间的决策步数k的矩阵，将以上矩阵写入列车的车辆自动运行系统控制器中。

进一步的是，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；同时为了保证行驶至下一区间SOC能够降至规划的水平，采用插值方法形成下一区间的初步功率分配方案；将当前SOC和离线计算SOC作为输入，利用PI控制器生成一个反馈调节量来实时调节初步功率分配方案；确定燃料电池系统的输出参考功率，构成功率分配方案。

进一步的是，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；车辆的载重信息来自于车辆装置的重量传感器，所述重量传感器将包含载重信息的报文通过CAN总线以固定的协议传送至车辆自动运行系统，并由车辆自动运行系统按照上述协议解读。

进一步的是，所述车辆自动运行系统将所述功率分配方案所对应的燃料电池输出参考功率值按时序以CAN通信方式传至DC/DC变换器，通过PWM调制来控制DC/DC变换器的输出功率，以间接控制燃料电池系统输出功率，储能系统补充输出或回收制动功率。

进一步的是，在车辆自动运行系统中离线设计控制器包括插值控制器和PI反馈控制器，采用车辆自动运行系统控制DC/DC变换器的方法实现，包括步骤：

确定输入变量为当前载重量，利用插值方法输出下一运行区间的初步功率分配曲线；

利用电流传感器采集动力系统电流，在线实时计算动力电池系统SOC，并作为PI控制的输入量，利用PI控制器运算得到反馈调节量，得到下一运行区间燃料电池的输出参考功率曲线；

车辆自动运行系统与DC/DC变换器控制器通信，将下一运行区间燃料电池的输出参考功率曲线按时序向控制器传送，通过控制DC/DC变换器实现燃料电池功率的变换。

采用本技术方案的有益效果：

本发明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，能够使燃料电池有轨电车在每日的运行过程中，能够随客流量的变化而自适应调整功率分配方案，且所采用的功率分配方案均为该区间内基于能耗最低目标设计的最优能量管理方法。本发明解决了基于离线设计的全局最优能量管理方法在在线使用时，由于外部工况引起的控制效果不佳的问题。

本发明采用了SOC降低的策略，利用晚上车辆入库时间为车辆充电，有效替代了部分氢能的消耗，降低了运行成本。此外，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，合理分配了燃料电池有轨电车的电能，在降低运行成本的同时也充分保证了列车的动力性能和电力电量需求。

本发明采用型式试验的方法，并基于Levenberg-Marquardt(莱文贝格－马夸特方法)迭代法拟合列车基本阻力与运行速度的关系，确定了基本阻力系数A、B、C。采用Levenberg-Marquardt迭代法相比其他方法，不仅利用的测量数据量较少，还可以减小拟合误差，工程实用性较强。

本发明采用基于极限学习机的自适应规划算法对燃料电池有轨电车进行离线的能量管理计算，由于算法本身固有的优势，可以对任意可能出现的功率分配情况都进行求解，所以其已被广泛承认为控制效果近似最佳的能量管理方法，具有学习速度快、泛化性能好的优点。通过基于极限学习机的自适应规划算法对有轨电车进行离线的能量管理计算，可以有效地减少列车总体能耗，提升列车混合动力系统整体运行效率。

附图说明

图1为本发明的一种燃料电池有轨电车日运行近似最优能量管理方法流程示意图；

图2为本发明实施例中燃料电池有轨电车系统的控制结构示意图；

图3为本发明实施例中燃料电池有轨电车系统的电气结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明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，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。

作为上述实施例的优化方案，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。

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+…+L_n；

计有轨电车日运行爬坡总里程系数为：

U＝β₁×U₁+β₂×U₂+β₃×U₃+…+β_n×U_n；

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+…+ρ_n ^-1×D_n；

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+…+ω_n ^-1×R_n；

其中，L_n、U_n、D_n和R_n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；β_n、ρ_n和ω_n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：

ΔSOC_ref＝(L_n+β₁×U₁+ρ₁ ^-1×D₁+ω₁ ^-1×R₁)×(x₂-x₁)/(L+U+D+R)。

作为上述实施例的优化方案，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)+(J^TJ+λI)^-1J^Tr(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：r_i＝f(x_i,c)-y_i。

作为上述实施例的优化方案，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。

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P_FC为控制量，状态转移方程和代价函数分别为：

其中，C_H2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：

P_FC(j)+P_BAT(j)＝P_load(j)，

P_FCmin≤P_FC(j)≤P_FCmax，

P_BATmin≤P_BAT(j)≤P_BATmax；

其中，P_FC和P_BAT为燃料电池和蓄电池功率；P_FCmin和P_FCmax分别为燃料电池最小，最大可输出功率；P_BATmin和P_BATmax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：

SOC_initial-SOC_end＝ΔSOC_ref；

其中，SOC_initial和SOC_end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，ΔSOC_ref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的该区间最优功率分配关系，共计得到n乘m种最优功率分配关系，每种分配关系包含k步决策；对于每种载重条件下的通过自适应规划算法得到的燃料电池参考功率矩阵分别对应地命名为PFC₁，PFC₂，PFC₃…PFC_m，且均为运行区间n×每个运行区间的决策步数k的矩阵，将以上矩阵写入列车的车辆自动运行系统控制器中。

作为上述实施例的优化方案，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；同时为了保证行驶至下一区间SOC能够降至规划的水平，采用插值方法形成下一区间的初步功率分配方案；将当前SOC和离线计算SOC作为输入，利用PI控制器生成一个反馈调节量来实时调节初步功率分配方案；确定燃料电池系统的输出参考功率，构成功率分配方案。

作为上述实施例的优化方案，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；车辆的载重信息来自于车辆装置的重量传感器，所述重量传感器将包含载重信息的报文通过CAN总线以固定的协议传送至车辆自动运行系统，并由车辆自动运行系统按照上述协议解读。

作为上述实施例的优化方案，所述车辆自动运行系统将所述功率分配方案所对应的燃料电池输出参考功率值按时序以CAN通信方式传至DC/DC变换器，通过PWM调制来控制DC/DC变换器的输出功率，以间接控制燃料电池系统输出功率，储能系统补充输出或回收制动功率。

在车辆自动运行系统中离线设计控制器包括插值控制器和PI反馈控制器，采用车辆自动运行系统控制DC/DC变换器的方法实现，包括步骤：

确定输入变量为当前载重量，利用插值方法输出下一运行区间的初步功率分配曲线；

利用电流传感器采集动力系统电流，在线实时计算动力电池系统SOC，并作为PI控制的输入量，利用PI控制器运算得到反馈调节量，得到下一运行区间燃料电池的输出参考功率曲线；

车辆自动运行系统与DC/DC变换器控制器通信，将下一运行区间燃料电池的输出参考功率曲线按时序向控制器传送，通过控制DC/DC变换器实现燃料电池功率的变换。

在实施例中，如图2和3所示，采用燃料电池有轨电车包括燃料电池系统、单向DC/DC变换器、储能系统、双向DC/DC变换器、CAN通信总线、列车ATO控制器及一系列电流、电压、气压、重量传感器。所述燃料电池系统经单向DC/DC变换器连接至直流母线，储能系统直接经双向DC/DC变换器与直流母线相连。CAN总线上连接有：单向DC/DC变换器的控制器、储能系统电池管理系统BMS、列车ATO控制器等，可实现列车系统多机的互联通信。单向DC/DC变换器包括功率电路部分和控制器部分，功率电路部分为交错并联拓扑结构的直直Boost变换器电路，控制器部分是基于DSP芯片设计而成的，主要包括CAN通信电路、AD采集电路、调理电路和PWM调制电路。控制器通过CAN通信电路接收燃料电池输出功率参考值，通过AD采集电路和调理电路读取燃料电池系统输出的电流电压值，经内部控制算法运算后，再通过PWM调制电路控制开关管通断，以实现变换器改变输出的作用。双向DC/DC变换器包括功率电路部分和控制电路部分，用于稳定母线电压稳定。其电路结构与控制方法与单向DC/DC变换器类似。列车ATO控制器是基于PLC控制器设计而成的，ATO需要实现的功能较多。本发明专利提供的方法主要面向混合动力系统，仅依靠PLC控制器***的CAN通信电路即可实现功能。PLC控制器通过CAN通信电路读取停站结束时的列车下方重量传感器传输至总线上的信号，然后经内部运算，得到下一运行区间的燃料电池输出功率参考值时序信号，再通过CAN通信电路发送至CAN总线，最终由单向DC/DC变换器控制器捕获。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。