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(chǔ)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(chǔ)能單體在性能上仍有不足，有軌電車使用單儲(chǔ)能系統(tǒng)供電的效果不盡如人意。為了設(shè)計(jì)出高性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)，許多研究人員使用電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)作為有軌電車的動(dòng)力來源，目前已有許多應(yīng)用。

作為有軌電車的唯一動(dòng)力來源，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)需要提供牽引能量并充分吸收制動(dòng)能量，能量管理策略對(duì)儲(chǔ)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(yàn)和簡(jiǎn)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(chǔ)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(jí)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(duì)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(jiǎn)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(yàn)，策略無法根據(jù)環(huán)境和儲(chǔ)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(shí)優(yōu)化策略。動(dòng)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(gè)階段之間的關(guān)系逐個(gè)求解，達(dá)到全局最優(yōu)。該方法在混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略中廣泛使用。動(dòng)態(tài)規(guī)劃應(yīng)用于多種儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配路徑的尋優(yōu)中。

文獻(xiàn)[9]中混合動(dòng)力汽車的尋優(yōu)目標(biāo)是燃油消耗量最低。而對(duì)于其他類型的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[10]中的電池-超級(jí)電容型混合動(dòng)力車輛，其動(dòng)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(dòng)態(tài)規(guī)劃全局尋優(yōu)的優(yōu)勢(shì)必然導(dǎo)致計(jì)算量大的缺點(diǎn)，所以動(dòng)態(tài)規(guī)劃適合于對(duì)時(shí)間不敏感的離線尋優(yōu)。實(shí)時(shí)優(yōu)化策略多為全局最優(yōu)算法的簡(jiǎn)化，如使用簡(jiǎn)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(cè)，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(huì)有所下降。優(yōu)化算法控制策略復(fù)雜，在大功率的實(shí)時(shí)應(yīng)用中受到限制。

為了保證混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在工作區(qū)間內(nèi)高效、安全運(yùn)行，減少儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，同時(shí)簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)比例分配策略。

本文首先對(duì)現(xiàn)代有軌電車車載混合儲(chǔ)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(dòng)態(tài)比例分配策略，通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃求得超級(jí)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(shí)間的尋優(yōu)簡(jiǎn)化功率分配策略，使其保留動(dòng)態(tài)規(guī)劃的效果。最后通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的有效性。

圖12 混合儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

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(dòng)態(tài)比例分配策略，將超級(jí)電容初始狀態(tài)分為若干區(qū)間，分別通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃提前優(yōu)化功率分配路徑，并通過離散時(shí)間的尋優(yōu)使動(dòng)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(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命，降低更換成本；同時(shí)簡(jiǎn)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(duì)比，驗(yàn)證了該策略能夠通過靈活的功率比例變化擴(kuò)大儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作區(qū)間。

通過90kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)不同電壓范圍的動(dòng)態(tài)比例策略進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該策略在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的有效性。但離散時(shí)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(jì)，無法實(shí)時(shí)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(shí)別，在動(dòng)態(tài)離散時(shí)間下研究動(dòng)態(tài)比例分配策略。