混合储能式有轨电车牵引仿真技术研究

　　摘 要: 介绍了混合储能式有轨电车常见的储能配置及系统拓扑。对于节能需求，对比分析得出了列车最节能的操作 方式是最大牵引 - 巡航 - 惰行 - 最大制动。在 MATLAB 平台上搭建了牵引仿真计算模型，通过仿真分析了不同巡航速 度下的能耗差异，并找到了能耗最小的巡航速度。针对储能装置的特点，提供了混合储能供电的牵引仿真流程。

　　关键词: 储能式有轨电车; 牵引仿真; 混合供电; 节能运行

　　1 概述

　　随着我国城市轨道交通的快速发展，储能式有轨电车以成 本低、节能环保、便捷美观等优点倍受青睐。其中配置有超级 电容和钛酸锂电池的混合储能式有轨电车，具有可充分利用 超级电容充放电功率密度高和锂电池能量密度高的优点，近 几年在国内应用广泛。因此研究混合储能式有轨电车的牵引 仿真技术，对于降低能耗以及延长列车储能装置的寿命具有 实际意义。

　　1. 1 储能配置及系统拓扑

　　目前，有轨电车常见的车载储能方式有电池储能和超级电容 储能2 种。以某实际项目为例，列车为四模块编组，动拖比为三动 一拖。列车同时配置有 3 套超级电容储能电源和 1 套钛酸锂电 池。T 车上的受电器可通过高压母排 给 3 个并联的超级电容箱充电，并通过双向 DC/DC 给钛酸锂电 池充电。超级电容直接接入直流母线，可充分发挥超级电容充 放电速度快的特点，而钛酸锂电池则通过双向 DC/DC 接入直流 母线，可避免牵引和电制动过程中的大电流对其造成影响。

　　1. 2 混合供电简述

　　根据超级电容、钛酸锂电池的属性，以及牵引系统和双向 DCDC 的特性，储能式有轨电车供电特点如下。 1) 为保证牵引系统正常工作，超级电容电压应保持在500 ～ 900 V。 2) 因超级电容的循环寿命远大于锂电池，优先使用超级电 容供电，当其能量不足时，再投入钛酸锂电池。 3) 钛酸锂电池放电功率有限，通常需提前投入供电，以免 超级电容电压降至 500 V 以下。 4) 列车电制动过程中，钛酸锂电池不投入。

　　2 牵引仿真节能策略

　　有轨电车运行能耗结果与列车自身属性( 列车基本参数、 牵引特性、制动特性及列车基本阻力特性等) 、线路条件( 坡 道、曲线、车站、限速等) 及列车运行策略直接相关。在列车自身属性及线路条件已确定的情况下，只能通过调整列车运行策 略来实现节能。 节能运行策略则是指列车运行过程中通过调整牵引/制动 级位，调整限速值及加入惰行运行等方式来实现列车节能的目的。

　　2. 1 节能运行操作方式

　　节能运行策略有多种操作方式: ①牵引 - 惰行 - 制动，对 应图 2( a) 。②牵引 - 牵引惰行结合 - 制动。 ③牵引 - 巡航 - 惰行 - 制动，对应图 2( c) 。文献[1]和文献 [4]通过理论分析证明列车最优操作方式是最大牵引 - 巡航 - 惰行 - 最大制动，本文不再重复论证。 分析可知，若区间运行时间固定，即使同样采用最优操作 方式( 最大牵引 - 巡航 - 惰行 - 最大制动) ，但在不同的巡航 速度下，惰行点也不同。

　　当巡航速度越高，巡航时间越短，惰行时间越长，若巡航速度取值继续增大，则存在一个 巡航速度值 V - max，使得巡航时间恰好为零，即操作方式为最 大牵引 - 惰行 - 最大制动; 相反，若巡航速度取值继续减小，则 存在一个巡航速度值 V - min，使得惰行时间恰好为零，即操作 方式为最大牵引 - 巡航 - 最大制动。

　　2. 2 能耗差异的仿真分析

　　在巡航速度为 V - min ～ V - max，能耗差异如何，少有学者 研究。本文在 MATLAB 仿真平台中编写 C 语言搭建了牵引仿 真模型，按照最优化操作方式进行仿真计算，研究定时运行下， 不同巡航速度的能耗差异。 仿真程序计算流程如下。 1) Step 1: 设定运行时间目标，设定巡航速度初值并初始化 其他数据。 2) Step 2: 设定惰行点初值，从起点最大牵引到巡航速度， 保持巡航速度到惰行点，从惰行点开始惰行至区间终点，记录 此过程速度、里程、时间、能耗等数据。 3) Step 3: 从线路区间终点反加速计算到巡航速度，记录速 度、里程、时间、能耗等数据作为制动过程数据。

　　4) Step 4: 通过二分法找出 Step 2 和 Step 3 的速度、里程的 交点作为制动点。 5) Step 5: 结合 Step 2 中起点到制动点的数据和 Step 3 中 制动点到终点的数据，作为当前巡航速度及惰行点的全过程运 行数据。6) Step 6: 将 Step 5 中全过程的运行时间与目标时间对比 判断，通过二分法调整惰行点，循环执行 Step 2 ～ Step 5，直至 找到运行时间与目标时间相符的惰行点。

　　2. 2. 1 不同巡航速度的能耗差异

　　在仿真模型中将巡航速度以一定步长递增，每个巡航速度 执行上述 Step 2 ～ Step 6，并记录每个巡航速度下的能耗、运行 时间及惰行点等。以线路区间距离为 1 000 m，运行时间 120 s ( 对应 30 km/h 的平均速度) ，AW3 载荷，线路坡度为 10‰为 例，各巡航速度下的仿真结果，当 巡 航 速 度 为 V - min ～ V - max，能耗为 4 130 ～ 4 300 Wh，在 35 km/h 左右的 巡航速度时，能耗最小。

　　2. 2. 2 仿真分析小结

　　1) 按照最优操作方式进行定时运行( 即固定平均速度) ， 选择不同的巡航速度，能耗不同。 2) 能耗最小的巡航速度 v2 与平均速度 v1 的大致关系为: v2 = 1. 363 × v1 - 6. 019。

　　3 混合储能供电仿真

　　基于混合储能式有轨电车的混合供电特点，本文在以上仿 真模型基础上进行完善，对储能电源的能耗及锂电池投入供电 的电压判值进行仿真计算，在保证超级电容电压不低于 500 V 的前提下，尽可能减少钛酸锂电池的投入。考虑实际线路条件及混合供电的牵引仿真计算流程。

　　某实际有轨电车项目平均旅行速度要求 22 km/h，考虑到 停站时间及路口等待时间，列车站间的平均运行速度需要 29 km/h。根据以上分析结论，巡航速度应设定为 34 km/h。 按照以上仿真流程进行牵引仿真，2 个典型区间的仿真结果，在车站 1 到车站 2 区间内，当电压低于 595 V 时，锂电池投入供电; 在车站 2 到车站 3 区间内，当电压低于 705 V 时，锂电池投入供电。

　　交通论文范例：交通安全设施施工分析

　　4 结语

　　对于节能需求，列车最优操作方式是最大牵引 - 巡航 - 惰 行 - 最大制动，本文在通过仿真分析提供了最优操作方式下巡 航速度的设定方法; 对于混合储能装置的特点，本文提供了混 合储能供电仿真的流程。本文的研究结论对后续有轨电车项 目的牵引仿真具有指导意义，在降低牵引能耗及延长储能装置 使用寿命方面，也具有实际的经济价值。

　　参考文献:

　　[1] 郭怀龙. 低地板列车节能控制技术研究[D]. 北京: 北京 交通大学，2016.

　　[2] 宁晶洁. 城市轨道交通列车节能运行模型及算法研究 [D]. 北京: 北京交通大学，2017.

　　[3] 马宁. 城市轨道列车节能控制的研究与实现[D]. 成都: 西南交通大学，2015.

　　[4] 许嘉轩. 储能式有轨电车运行与供电仿真系统[D]. 成 都: 西南交通大学，2015.

　　[5] 林轩. 货运电力机车节能优化操纵策略研究[D]. 成都: 西南交通大学，2013.

　　[6] 代位，韩宝明，周玮腾

　　作者：钱江林，范志峰

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