現(xiàn)代有軌電車作為軌道交通系統(tǒng)中重要的組成部分，近年來獲得了較快發(fā)展。出于安全性和美觀性的考慮，車載儲能技術(shù)成為取代牽引網(wǎng)供電的選擇之一。由于當(dāng)前各儲能單體在性能上仍有不足，有軌電車使用單儲能系統(tǒng)供電的效果不盡如人意。為了設(shè)計出高性能的儲能系統(tǒng)，許多研究人員使用電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)作為有軌電車的動力來源，目前已有許多應(yīng)用。

作為有軌電車的唯一動力來源，混合儲能系統(tǒng)需要提供牽引能量并充分吸收制動能量，能量管理策略對儲能系統(tǒng)的輸出特性起決定性作用。能量管理策略可以分為基于規(guī)則的能量管理策略和優(yōu)化的能量管理策略兩大類。

基于規(guī)則的能量管理策略是根據(jù)工程經(jīng)驗和簡單公式得來的分配策略，常見有固定閾值的能量管理策略，以電壓、功率等閾值量作為標(biāo)志位來切換儲能系統(tǒng)的工作狀態(tài)；濾波器分頻法，通過濾波器將需求功率分為高頻與低頻兩部分，分別由電池和超級電容提供；基于模糊控制的能量管理策略，根據(jù)模糊規(guī)則對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分類。

基于規(guī)則的策略優(yōu)點(diǎn)是控制策略簡單，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用范圍廣，缺點(diǎn)是嚴(yán)重依賴工程經(jīng)驗，策略無法根據(jù)環(huán)境和儲能系統(tǒng)輸出特性等因素變化來調(diào)整，無法滿足更高要求的優(yōu)化。

近年來研究人員提出了許多與優(yōu)化算法相結(jié)合的能量管理策略，常見的策略分為全局優(yōu)化策略和實(shí)時優(yōu)化策略。動態(tài)規(guī)劃是常用的全局優(yōu)化算法，該方法應(yīng)用貝爾曼原理，將復(fù)雜的多階段過程轉(zhuǎn)換為單階段問題，利用各個階段之間的關(guān)系逐個求解，達(dá)到全局最優(yōu)。該方法在混合動力系統(tǒng)的能量管理策略中廣泛使用。動態(tài)規(guī)劃應(yīng)用于多種儲能系統(tǒng)功率分配路徑的尋優(yōu)中。

文獻(xiàn)[9]中混合動力汽車的尋優(yōu)目標(biāo)是燃油消耗量最低。而對于其他類型的混合儲能系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[10]中的電池-超級電容型混合動力車輛，其動態(tài)規(guī)劃的尋優(yōu)為系統(tǒng)的功率損耗與電池電流變化率的多目標(biāo)尋優(yōu)，既考慮了系統(tǒng)效率又考慮了電池壽命。

動態(tài)規(guī)劃全局尋優(yōu)的優(yōu)勢必然導(dǎo)致計算量大的缺點(diǎn)，所以動態(tài)規(guī)劃適合于對時間不敏感的離線尋優(yōu)。實(shí)時優(yōu)化策略多為全局最優(yōu)算法的簡化，如使用簡化的線性模型，將非線性尋優(yōu)轉(zhuǎn)換為線性尋優(yōu)，或基于數(shù)據(jù)分析預(yù)測，使用人工智能方法或馬爾科夫鏈與全局最優(yōu)算法相結(jié)合，均能夠提高運(yùn)算效率，但尋優(yōu)的效果會有所下降。優(yōu)化算法控制策略復(fù)雜，在大功率的實(shí)時應(yīng)用中受到限制。

為了保證混合儲能系統(tǒng)在工作區(qū)間內(nèi)高效、安全運(yùn)行，減少儲能系統(tǒng)損耗，延長系統(tǒng)壽命，同時簡化控制規(guī)則，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文提出了基于有軌電車運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)比例分配策略。

本文首先對現(xiàn)代有軌電車車載混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行介紹，然后提出基于有軌電車運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)比例分配策略，通過動態(tài)規(guī)劃求得超級電容不同初始電壓范圍內(nèi)使系統(tǒng)效率最高的功率分配路徑，隨后通過離散時間的尋優(yōu)簡化功率分配策略，使其保留動態(tài)規(guī)劃的效果。最后通過仿真與實(shí)驗驗證了該策略的有效性。

圖12 混合儲能實(shí)驗平臺

總結(jié)

基于有軌電車運(yùn)行工況的穩(wěn)定性，本文提出了基于有軌電車運(yùn)行特性的動態(tài)比例分配策略，將超級電容初始狀態(tài)分為若干區(qū)間，分別通過動態(tài)規(guī)劃提前優(yōu)化功率分配路徑，并通過離散時間的尋優(yōu)使動態(tài)規(guī)劃的效果得到較好的保留，能夠有效地提高系統(tǒng)效率，延長儲能系統(tǒng)壽命，降低更換成本；同時簡化規(guī)則，使用離線策略指導(dǎo)在線優(yōu)化。通過與固定比例分配策略的仿真對比，驗證了該策略能夠通過靈活的功率比例變化擴(kuò)大儲能系統(tǒng)的工作區(qū)間。

通過90kW實(shí)驗平臺對不同電壓范圍的動態(tài)比例策略進(jìn)行驗證，證明了該策略在混合儲能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的有效性。但離散時間固定導(dǎo)致控制的靈活性降低，只能夠根據(jù)離散區(qū)間段整體輸出特性進(jìn)行設(shè)計，無法實(shí)時地隨工況的變化來控制功率分配。下一步的研究即為基于有軌電車運(yùn)行模式的識別，在動態(tài)離散時間下研究動態(tài)比例分配策略。