【摘 要】
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现代有轨电车作为城市轨道交通系统的重要环节,具有经济适用性强、人性化、生态化等诸多优势,已在大城市新区及中小城市蓬勃发展。感应电能传输系统作为一种新型的非接触供电制式,已广泛应用于手机、电动汽车等小功率充电场合,有效地解决了传统导体直接接触供电的一系列弊端。本文以现代有轨电车感应电能传输系统为研究背景,针对系统运行性能进行优化研究。不同于其他应用场合,现代有轨电车具有2M2T 100%低地板的特点
【基金项目】
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国家重点研发计划“先进轨道交通”重点专项“轨道交通新型供电制式车辆与车载储能技术（2017YFB1201000）”； 国家留学基金委（China Scholarship Council,CSC）（CSC201907090044）；
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现代有轨电车作为城市轨道交通系统的重要环节,具有经济适用性强、人性化、生态化等诸多优势,已在大城市新区及中小城市蓬勃发展。感应电能传输系统作为一种新型的非接触供电制式,已广泛应用于手机、电动汽车等小功率充电场合,有效地解决了传统导体直接接触供电的一系列弊端。本文以现代有轨电车感应电能传输系统为研究背景,针对系统运行性能进行优化研究。不同于其他应用场合,现代有轨电车具有2M2T 100%低地板的特点,对供电系统的输出功率及效率等级要求均较高,但车底安装空间有限且车-地间能量传输时间短暂,难以建立可靠的实时通信。基于此,本文以非接触的感应电能传输系统应用于现代有轨电车时的运行性能为切入点,对输出能效、耦合机构与车辆的适配性及性能、原副边无通信时的动态响应能力进行优化研究。通过搭建基于车辆实际参数的ANSYS（?）电磁仿真模型及MATLAB/Simulink（?）电路仿真模型对各关键问题进行了验证,同时搭建额定功率1k W的小型样机实验平台进行了实验验证,为系统工程实践过程提供理论指导。通过对感应电能传输系统的输出功率、传输效率及能效积等关键能效指标的分析,发现系统无法同时实现功率与效率的最大化。而目前的控制策略通常针对单一的目标进行优化,且缺乏结合系统运行状态的考虑。本文提出了一种基于能效优化的负载分段跟踪控制策略,综合车辆充电时系统自身耦合系数及用电负载需求两个外界变化因素,调节副边侧等效负载跟踪不同的能效优化指标,使系统在不同的充电条件下始终保持最佳的能效状态,优化了系统整体的能效性能,相较单一目标的优化更加灵活;通过搭建电路仿真模型验证了能效优化结果。为了提升耦合机构性能,现有的耦合机构设计方案通常较为复杂,并不适用于现代有轨电车车下安装空间与位置受到严格限制的场合。本文根据现代有轨电车车底耦合机构安装空间,提出了与车辆安装空间适配的耦合线圈配置方式。结合前期分段能效特性及车底与地面间气隙范围的要求,进行了满足系统效率要求原副边匝数及配比的最优化设计。通过车辆电磁仿真模型对耦合机构互感水平进行了验证,并将结果引入电路仿真中验证了系统输出能效水平。同时,耦合机构的设计是需要综合考虑多个系统目标的多维度优化问题,本文提出了基于属性层次法-灰色关联度分析法组合权重的感应电能传输系统耦合机构性能的综合评价体系,量化了一些基本参数对感应电能传输系统耦合机构性能带来的影响。为了优化原副边无通信情况下的系统动态响应性能,通常进行复杂的电路拓扑设计或控制策略改进,但并不适用于大功率的实际工程应用。本文提出了一种基于参数敏感度权重的互感辨识方法,根据参数的敏感度决定其在最终辨识结果中的权重,以提高辨识精度;根据互感辨识结果,提出基于扰动观测的改进型变步长最大输出功率跟踪算法,系统在接近最大功率工作点时对扰动步长进行调整,根据华罗庚优选法进行指数衰减,以实现精准跟踪;针对互感突变引起系统不稳定的扰动失效现象,提出了一种在下一扰动周期退出失效区时重新进行互感辨识并初始化扰动步长的解决方法;通过仿真验证了系统的稳态精准性及快速的动态响应性能。最后,为尽可能模拟现代有轨电车的运行参数,以保持原边等效负载不变的基本原则,电压、电流等电气参数设计由大功率基本模块等比例缩小,搭建了额定功率为1k W的小型样机实验平台;耦合机构则通过本文的耦合机构优化方案进行设计,以达到通过小平台对本文相关优化方案及控制策略进行可行性验证的目的;实验验证了针对不同的耦合互感区间,跟踪不同能效优化目标的优势,并在目标气隙范围下系统保持高功率传输出水平的同时,传输效率达到指标要求,也验证了在取消双边通信情况下的快速响应性能及稳态精准度。图86幅,表24个,参考文献129篇
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