混合儲能式有軌電車牽引仿真技術研究

　　摘 要: 介紹了混合儲能式有軌電車常見的儲能配置及系統拓撲。對于節能需求，對比分析得出了列車最節能的操作 方式是最大牽引 - 巡航 - 惰行 - 最大制動。在 MATLAB 平臺上搭建了牽引仿真計算模型，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。針對儲能裝置的特點，提供了混合儲能供電的牽引仿真流程。

　　關鍵詞: 儲能式有軌電車; 牽引仿真; 混合供電; 節能運行

　　1 概述

　　隨著我國城市軌道交通的快速發展，儲能式有軌電車以成 本低、節能環保、便捷美觀等優點倍受青睞。其中配置有超級 電容和鈦酸鋰電池的混合儲能式有軌電車，具有可充分利用 超級電容充放電功率密度高和鋰電池能量密度高的優點，近 幾年在國內應用廣泛。因此研究混合儲能式有軌電車的牽引 仿真技術，對于降低能耗以及延長列車儲能裝置的壽命具有 實際意義。

　　1. 1 儲能配置及系統拓撲

　　目前，有軌電車常見的車載儲能方式有電池儲能和超級電容 儲能2 種。以某實際項目為例，列車為四模塊編組，動拖比為三動 一拖。列車同時配置有 3 套超級電容儲能電源和 1 套鈦酸鋰電 池。T 車上的受電器可通過高壓母排 給 3 個并聯的超級電容箱充電，并通過雙向 DC/DC 給鈦酸鋰電 池充電。超級電容直接接入直流母線，可充分發揮超級電容充 放電速度快的特點，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過程中的大電流對其造成影響。

　　1. 2 混合供電簡述

　　根據超級電容、鈦酸鋰電池的屬性，以及牽引系統和雙向 DCDC 的特性，儲能式有軌電車供電特點如下。 1) 為保證牽引系統正常工作，超級電容電壓應保持在500 ～ 900 V。 2) 因超級電容的循環壽命遠大于鋰電池，優先使用超級電 容供電，當其能量不足時，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 超級電容電壓降至 500 V 以下。 4) 列車電制動過程中，鈦酸鋰電池不投入。

　　2 牽引仿真節能策略

　　有軌電車運行能耗結果與列車自身屬性( 列車基本參數、 牽引特性、制動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) 及列車運行策略直接相關。在列車自身屬性及線路條件已確定的情況下，只能通過調整列車運行策 略來實現節能。 節能運行策略則是指列車運行過程中通過調整牽引/制動 級位，調整限速值及加入惰行運行等方式來實現列車節能的目的。

　　2. 1 節能運行操作方式

　　節能運行策略有多種操作方式: ①牽引 - 惰行 - 制動，對 應圖 2( a) 。②牽引 - 牽引惰行結合 - 制動。 ③牽引 - 巡航 - 惰行 - 制動，對應圖 2( c) 。文獻[1]和文獻 [4]通過理論分析證明列車最優操作方式是最大牽引 - 巡航 - 惰行 - 最大制動，本文不再重復論證。 分析可知，若區間運行時間固定，即使同樣采用最優操作 方式( 最大牽引 - 巡航 - 惰行 - 最大制動) ，但在不同的巡航 速度下，惰行點也不同。

　　當巡航速度越高，巡航時間越短，惰行時間越長，若巡航速度取值繼續增大，則存在一個 巡航速度值 V - max，使得巡航時間恰好為零，即操作方式為最 大牽引 - 惰行 - 最大制動; 相反，若巡航速度取值繼續減小，則 存在一個巡航速度值 V - min，使得惰行時間恰好為零，即操作 方式為最大牽引 - 巡航 - 最大制動。

　　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，少有學者 研究。本文在 MATLAB 仿真平臺中編寫 C 語言搭建了牽引仿 真模型，按照最優化操作方式進行仿真計算，研究定時運行下， 不同巡航速度的能耗差異。 仿真程序計算流程如下。 1) Step 1: 設定運行時間目標，設定巡航速度初值并初始化 其他數據。 2) Step 2: 設定惰行點初值，從起點最大牽引到巡航速度， 保持巡航速度到惰行點，從惰行點開始惰行至區間終點，記錄 此過程速度、里程、時間、能耗等數據。 3) Step 3: 從線路區間終點反加速計算到巡航速度，記錄速 度、里程、時間、能耗等數據作為制動過程數據。

　　4) Step 4: 通過二分法找出 Step 2 和 Step 3 的速度、里程的 交點作為制動點。 5) Step 5: 結合 Step 2 中起點到制動點的數據和 Step 3 中 制動點到終點的數據，作為當前巡航速度及惰行點的全過程運 行數據。6) Step 6: 將 Step 5 中全過程的運行時間與目標時間對比 判斷，通過二分法調整惰行點，循環執行 Step 2 ～ Step 5，直至 找到運行時間與目標時間相符的惰行點。

　　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遞增，每個巡航速度 執行上述 Step 2 ～ Step 6，并記錄每個巡航速度下的能耗、運行 時間及惰行點等。以線路區間距離為 1 000 m，運行時間 120 s ( 對應 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果，當 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，能耗最小。

　　2. 2. 2 仿真分析小結

　　1) 按照最優操作方式進行定時運行( 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 的大致關系為: v2 = 1. 363 × v1 - 6. 019。

　　3 混合儲能供電仿真

　　基于混合儲能式有軌電車的混合供電特點，本文在以上仿 真模型基礎上進行完善，對儲能電源的能耗及鋰電池投入供電 的電壓判值進行仿真計算，在保證超級電容電壓不低于 500 V 的前提下，盡可能減少鈦酸鋰電池的投入�？紤]實際線路條件及混合供電的牽引仿真計算流程。

　　某實際有軌電車項目平均旅行速度要求 22 km/h，考慮到 停站時間及路口等待時間，列車站間的平均運行速度需要 29 km/h。根據以上分析結論，巡航速度應設定為 34 km/h。 按照以上仿真流程進行牽引仿真，2 個典型區間的仿真結果，在車站 1 到車站 2 區間內，當電壓低于 595 V 時，鋰電池投入供電; 在車站 2 到車站 3 區間內，當電壓低于 705 V 時，鋰電池投入供電。

　　交通論文范例：交通安全設施施工分析

　　4 結語

　　對于節能需求，列車最優操作方式是最大牽引 - 巡航 - 惰 行 - 最大制動，本文在通過仿真分析提供了最優操作方式下巡 航速度的設定方法; 對于混合儲能裝置的特點，本文提供了混 合儲能供電仿真的流程。本文的研究結論對后續有軌電車項 目的牽引仿真具有指導意義，在降低牽引能耗及延長儲能裝置 使用壽命方面，也具有實際的經濟價值。

　　參考文獻:

　　[1] 郭懷龍. 低地板列車節能控制技術研究[D]. 北京: 北京 交通大學，2016.

　　[2] 寧晶潔. 城市軌道交通列車節能運行模型及算法研究 [D]. 北京: 北京交通大學，2017.

　　[3] 馬寧. 城市軌道列車節能控制的研究與實現[D]. 成都: 西南交通大學，2015.

　　[4] 許嘉軒. 儲能式有軌電車運行與供電仿真系統[D]. 成 都: 西南交通大學，2015.

　　[5] 林軒. 貨運電力機車節能優化操縱策略研究[D]. 成都: 西南交通大學，2013.

　　[6] 代位，韓寶明，周瑋騰

　　作者：錢江林，范志峰

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