混合儲(chǔ)能式有軌電車牽引仿真技術(shù)研究

　　摘 要: 介紹了混合儲(chǔ)能式有軌電車常見的儲(chǔ)能配置及系統(tǒng)拓?fù)�。�?duì)于節(jié)能需求，對(duì)比分析得出了列車最節(jié)能的操作 方式是最大牽引 - 巡航 - 惰行 - 最大制動(dòng)。在 MATLAB 平臺(tái)上搭建了牽引仿真計(jì)算模型，通過仿真分析了不同巡航速 度下的能耗差異，并找到了能耗最小的巡航速度。針對(duì)儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)，提供了混合儲(chǔ)能供電的牽引仿真流程。

　　關(guān)鍵詞: 儲(chǔ)能式有軌電車; 牽引仿真; 混合供電; 節(jié)能運(yùn)行

　　1 概述

　　隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，儲(chǔ)能式有軌電車以成 本低、節(jié)能環(huán)保、便捷美觀等優(yōu)點(diǎn)倍受青睞。其中配置有超級(jí) 電容和鈦酸鋰電池的混合儲(chǔ)能式有軌電車，具有可充分利用 超級(jí)電容充放電功率密度高和鋰電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，近 幾年在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛。因此研究混合儲(chǔ)能式有軌電車的牽引 仿真技術(shù)，對(duì)于降低能耗以及延長(zhǎng)列車儲(chǔ)能裝置的壽命具有 實(shí)際意義。

　　1. 1 儲(chǔ)能配置及系統(tǒng)拓?fù)?/p>

　　目前，有軌電車常見的車載儲(chǔ)能方式有電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容 儲(chǔ)能2 種。以某實(shí)際項(xiàng)目為例，列車為四模塊編組，動(dòng)拖比為三動(dòng) 一拖。列車同時(shí)配置有 3 套超級(jí)電容儲(chǔ)能電源和 1 套鈦酸鋰電 池。T 車上的受電器可通過高壓母排 給 3 個(gè)并聯(lián)的超級(jí)電容箱充電，并通過雙向 DC/DC 給鈦酸鋰電 池充電。超級(jí)電容直接接入直流母線，可充分發(fā)揮超級(jí)電容充 放電速度快的特點(diǎn)，而鈦酸鋰電池則通過雙向 DC/DC 接入直流 母線，可避免牽引和電制動(dòng)過程中的大電流對(duì)其造成影響。

　　1. 2 混合供電簡(jiǎn)述

　　根據(jù)超級(jí)電容、鈦酸鋰電池的屬性，以及牽引系統(tǒng)和雙向 DCDC 的特性，儲(chǔ)能式有軌電車供電特點(diǎn)如下。 1) 為保證牽引系統(tǒng)正常工作，超級(jí)電容電壓應(yīng)保持在500 ～ 900 V。 2) 因超級(jí)電容的循環(huán)壽命遠(yuǎn)大于鋰電池，優(yōu)先使用超級(jí)電 容供電，當(dāng)其能量不足時(shí)，再投入鈦酸鋰電池。 3) 鈦酸鋰電池放電功率有限，通常需提前投入供電，以免 超級(jí)電容電壓降至 500 V 以下。 4) 列車電制動(dòng)過程中，鈦酸鋰電池不投入。

　　2 牽引仿真節(jié)能策略

　　有軌電車運(yùn)行能耗結(jié)果與列車自身屬性( 列車基本參數(shù)、 牽引特性、制動(dòng)特性及列車基本阻力特性等) 、線路條件( 坡 道、曲線、車站、限速等) 及列車運(yùn)行策略直接相關(guān)。在列車自身屬性及線路條件已確定的情況下，只能通過調(diào)整列車運(yùn)行策 略來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 節(jié)能運(yùn)行策略則是指列車運(yùn)行過程中通過調(diào)整牽引/制動(dòng) 級(jí)位，調(diào)整限速值及加入惰行運(yùn)行等方式來實(shí)現(xiàn)列車節(jié)能的目的。

　　2. 1 節(jié)能運(yùn)行操作方式

　　節(jié)能運(yùn)行策略有多種操作方式: ①牽引 - 惰行 - 制動(dòng)，對(duì) 應(yīng)圖 2( a) 。②牽引 - 牽引惰行結(jié)合 - 制動(dòng)。 ③牽引 - 巡航 - 惰行 - 制動(dòng)，對(duì)應(yīng)圖 2( c) 。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn) [4]通過理論分析證明列車最優(yōu)操作方式是最大牽引 - 巡航 - 惰行 - 最大制動(dòng)，本文不再重復(fù)論證。 分析可知，若區(qū)間運(yùn)行時(shí)間固定，即使同樣采用最優(yōu)操作 方式( 最大牽引 - 巡航 - 惰行 - 最大制動(dòng)) ，但在不同的巡航 速度下，惰行點(diǎn)也不同。

　　當(dāng)巡航速度越高，巡航時(shí)間越短，惰行時(shí)間越長(zhǎng)，若巡航速度取值繼續(xù)增大，則存在一個(gè) 巡航速度值 V - max，使得巡航時(shí)間恰好為零，即操作方式為最 大牽引 - 惰行 - 最大制動(dòng); 相反，若巡航速度取值繼續(xù)減小，則 存在一個(gè)巡航速度值 V - min，使得惰行時(shí)間恰好為零，即操作 方式為最大牽引 - 巡航 - 最大制動(dòng)。

　　2. 2 能耗差異的仿真分析

　　在巡航速度為 V - min ～ V - max，能耗差異如何，少有學(xué)者 研究。本文在 MATLAB 仿真平臺(tái)中編寫 C 語(yǔ)言搭建了牽引仿 真模型，按照最優(yōu)化操作方式進(jìn)行仿真計(jì)算，研究定時(shí)運(yùn)行下， 不同巡航速度的能耗差異。 仿真程序計(jì)算流程如下。 1) Step 1: 設(shè)定運(yùn)行時(shí)間目標(biāo)，設(shè)定巡航速度初值并初始化 其他數(shù)據(jù)。 2) Step 2: 設(shè)定惰行點(diǎn)初值，從起點(diǎn)最大牽引到巡航速度， 保持巡航速度到惰行點(diǎn)，從惰行點(diǎn)開始惰行至區(qū)間終點(diǎn)，記錄 此過程速度、里程、時(shí)間、能耗等數(shù)據(jù)。 3) Step 3: 從線路區(qū)間終點(diǎn)反加速計(jì)算到巡航速度，記錄速 度、里程、時(shí)間、能耗等數(shù)據(jù)作為制動(dòng)過程數(shù)據(jù)。

　　4) Step 4: 通過二分法找出 Step 2 和 Step 3 的速度、里程的 交點(diǎn)作為制動(dòng)點(diǎn)。 5) Step 5: 結(jié)合 Step 2 中起點(diǎn)到制動(dòng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和 Step 3 中 制動(dòng)點(diǎn)到終點(diǎn)的數(shù)據(jù)，作為當(dāng)前巡航速度及惰行點(diǎn)的全過程運(yùn) 行數(shù)據(jù)。6) Step 6: 將 Step 5 中全過程的運(yùn)行時(shí)間與目標(biāo)時(shí)間對(duì)比 判斷，通過二分法調(diào)整惰行點(diǎn)，循環(huán)執(zhí)行 Step 2 ～ Step 5，直至 找到運(yùn)行時(shí)間與目標(biāo)時(shí)間相符的惰行點(diǎn)。

　　2. 2. 1 不同巡航速度的能耗差異

　　在仿真模型中將巡航速度以一定步長(zhǎng)遞增，每個(gè)巡航速度 執(zhí)行上述 Step 2 ～ Step 6，并記錄每個(gè)巡航速度下的能耗、運(yùn)行 時(shí)間及惰行點(diǎn)等。以線路區(qū)間距離為 1 000 m，運(yùn)行時(shí)間 120 s ( 對(duì)應(yīng) 30 km/h 的平均速度) ，AW3 載荷，線路坡度為 10‰為 例，各巡航速度下的仿真結(jié)果，當(dāng) 巡 航 速 度 為 V - min ～ V - max，能耗為 4 130 ～ 4 300 Wh，在 35 km/h 左右的 巡航速度時(shí)，能耗最小。

　　2. 2. 2 仿真分析小結(jié)

　　1) 按照最優(yōu)操作方式進(jìn)行定時(shí)運(yùn)行( 即固定平均速度) ， 選擇不同的巡航速度，能耗不同。 2) 能耗最小的巡航速度 v2 與平均速度 v1 的大致關(guān)系為: v2 = 1. 363 × v1 - 6. 019。

　　3 混合儲(chǔ)能供電仿真

　　基于混合儲(chǔ)能式有軌電車的混合供電特點(diǎn)，本文在以上仿 真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，對(duì)儲(chǔ)能電源的能耗及鋰電池投入供電 的電壓判值進(jìn)行仿真計(jì)算，在保證超級(jí)電容電壓不低于 500 V 的前提下，盡可能減少鈦酸鋰電池的投入。考慮實(shí)際線路條件及混合供電的牽引仿真計(jì)算流程。

　　某實(shí)際有軌電車項(xiàng)目平均旅行速度要求 22 km/h，考慮到 停站時(shí)間及路口等待時(shí)間，列車站間的平均運(yùn)行速度需要 29 km/h。根據(jù)以上分析結(jié)論，巡航速度應(yīng)設(shè)定為 34 km/h。 按照以上仿真流程進(jìn)行牽引仿真，2 個(gè)典型區(qū)間的仿真結(jié)果，在車站 1 到車站 2 區(qū)間內(nèi)，當(dāng)電壓低于 595 V 時(shí)，鋰電池投入供電; 在車站 2 到車站 3 區(qū)間內(nèi)，當(dāng)電壓低于 705 V 時(shí)，鋰電池投入供電。

　　交通論文范例：交通安全設(shè)施施工分析

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　對(duì)于節(jié)能需求，列車最優(yōu)操作方式是最大牽引 - 巡航 - 惰 行 - 最大制動(dòng)，本文在通過仿真分析提供了最優(yōu)操作方式下巡 航速度的設(shè)定方法; 對(duì)于混合儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)，本文提供了混 合儲(chǔ)能供電仿真的流程。本文的研究結(jié)論對(duì)后續(xù)有軌電車項(xiàng) 目的牽引仿真具有指導(dǎo)意義，在降低牽引能耗及延長(zhǎng)儲(chǔ)能裝置 使用壽命方面，也具有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn):

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　　[3] 馬寧. 城市軌道列車節(jié)能控制的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都: 西南交通大學(xué)，2015.

　　[4] 許嘉軒. 儲(chǔ)能式有軌電車運(yùn)行與供電仿真系統(tǒng)[D]. 成 都: 西南交通大學(xué)，2015.

　　[5] 林軒. 貨運(yùn)電力機(jī)車節(jié)能優(yōu)化操縱策略研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué)，2013.

　　[6] 代位，韓寶明，周瑋騰

　　作者：錢江林，范志峰

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