混合動力列車運行仿真系統開發與實現

杜昕

（西南交通大學電氣工程學院，成都 611756）

混合動力列車運行仿真系統開發與實現

杜昕

（西南交通大學電氣工程學院，成都 611756）

為研究一類帶有車載儲能系統的新型城市軌道交通用混合動力列車，模擬列車在設定線路上的運行狀態，開發混合動力列車運行仿真系統。根據混合動力列車運行特征，以及各模塊間相互獨立、視圖數據相互分離的設計思想，對仿真系統進行架構設計及功能模塊劃分，然后詳細闡述關鍵模塊及算法的實現方法，包括列車牽引解算、能量管理策略和車載儲能解算。最后基于MFC框架進行開發實現，并通過仿真實例驗證系統的有效性。

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題（No.2015X008-A）

0 引言

帶有車載儲能裝置的城市軌道交通用混合動力列車具有運營線路供電方式靈活、綠色節能的特點，有廣闊的研究與應用前景[1-2]。混合動力列車是一個涉及電氣、機械、控制等多個學科的復雜系統工程，開發混合動力列車運行仿真系統，可為用戶進行列車參數設計與分析研究工作提供平臺，具有重要的科研和實際意義。

針對列車運行仿真系統的開發，國外起步早且有一些系統已投入商業應用，如北美Systar的RailSim系統[3]、瑞士聯邦研究院的Opentrack系統[4]、日本交通控制實驗室的UTRAS系統[5]等。國內開發的列車運行仿真平臺多用于科研試驗，如西南交通大學開發的列車駕駛仿真器[6]、北京交通大學開發的CTCS-3級列控系統仿真測試半實物平臺[7]等。這些機構開發的列車仿真平臺，仿真對象主要是普通機車、動車組列車等。而對含有多種動力源的新型混合動力列車的運行仿真研究，國內尚處于起步階段[8]。

本文以基于“接觸網+車載儲能裝置”動力源的混合動力城軌列車為對象，設計列車運行仿真系統的表示層、邏輯層和數據層三層功能架構，開發面向對象的單列車運行仿真系統。本文介紹了仿真系統的框架及功能模塊，并分析了牽引解算、車載儲能系統解算及能量管理策略等關鍵問題，最后在Visual Studio 2008環境下使用C++/MFC進行了系統開發實現，并以一段有軌電車試驗線路數據為基礎進行了驗證。

1 混合動力列車系統運行分析

本文研究的混合動力列車由接觸網與車載儲能裝置作為動力電源為列車運行提供能量，通過牽引傳動系統驅動列車運行，列車動力系統結構如圖1所示。

當列車運行在有接觸網區段時，可由接觸網或車載儲能裝置向列車供給能量，接觸網可向車載儲能裝置提供能量進行充電，列車處于制動工況時，產生的再生制動能量按照一定分配策略回饋到車載儲能裝置或接觸網，實現制動能量的回收；當列車運行在無接觸網區段時，車載儲能裝置向列車供給能量，確保列車的運行；停站時站內地面充電裝置可向車載儲能裝置充電。綜上分析，混合動力列車較普通列車有更多種能量流動方式。因此，在運行仿真系統開發過程中，需要建立合理的混合動力列車解算模型，并給出恰當的能量分配策略（即能量管理），以更加準確合理地模擬混合動力列車的運行過程。

圖1 混合動力列車動力系統結構

2 混合動力列車運行仿真系統設計

開發混合動力列車運行仿真系統目的是針對城市軌道交通的實際線路情況模擬混合動力列車的運行過程，研究列車運行速度影響因素、列車優化操縱方法、能量管理策略等問題，為新型混合動力列車運行優化和能量管理的研究提供平臺，為工程設計、運營等部門的列車動力性能設計、車線耦合校驗等工作提供較為精確的列車運行參數。

混合動力列車運行仿真系統主要由仿真參數設置、列車仿真運行和仿真結果輸出三大模塊組成。混合動力列車運行仿真系統根據其開發目的與設計需求，遵循面向對象軟件工程的思想，采用統一建模語言，通過一個主控對話框實現各模塊的切換和調用，系統包含的所有模塊構成了混合動力列車運行仿真系統的總體架構。采用三層架構模型對混合動力列車運行仿真系統進行框架設計，如圖2所示，系統分為表示層、邏輯層和數據層三層。

圖2 混合動力列車運行仿真系統功能架構

3 表示層模塊設計

根據系統架構模型，表示層包含模塊主要實現線路數據和列車數據文件處理功能、仿真配置功能以及仿真結果輸出功能，滿足用戶對仿真場景設定和數據交互的需求。

線路數據體現了混合動力列車運行的線路狀況。用戶掌握的線路數據的來源和格式可能不盡相同，為保證數據格式的一致性和線路數據的安全性，線路數據配置模塊采用固定格式的線路數據文件以供用戶仿真調用。

線路數據配置包含以下信息要素：工務線路數據（如線路坡道信息、曲線信息等）；線路設施數據（如車站信息、路口信息）；線路限速數據；供電方式信息（包括接觸網供電、車載儲能供電2種方式）。

列車動力集成設計模塊實現列車及車載儲能系統相關參數的輸入和列車文件的生成，主要包括列車參數配置和儲能系統參數配置等功能。列車動力集成設計模塊功能結構如圖3所示。

列車整車參數配置提供列車基本參數的錄入功能和牽引特性計算功能。列車基本參數包括編組載重、基本運行阻力公式、最高運行速度、列車加/減速度、機電效率、輔助功率、齒輪傳動比等；牽引特性計算功能可以根據列車加/減速度等參數，自動計算出列車的牽引/電制動特性曲線[9]、過坡能力、加速度特性等信息，幫助用戶初步驗證所配置列車動力性能。

圖3 列車動力集成設計模塊功能

儲能系統參數配置主要完成儲能裝置參數、DC/ DC變換器參數、能量管理策略參數的設定，以及粗略校驗儲能系統容量等功能。為提高軟件的通用程度，系統對儲能裝置的類型選擇提供動力電池與超級電容兩種。儲能系統參數主要包括車載動力包的額定電壓、額定容量、最大充放電電流、電量使用范圍等；儲能系統特性主要包括充放電特性、內阻特性、充放電效率特性等；DC/DC變換器參數主要是DC/DC變換器的效率；容量校驗根據所配置的儲能系統數據，設定容量校驗計算用的平直道線路長度和目標速度，按照最大能力運行策略 （即最大牽引力起車、貼近目標速度勻速運行、最大制動力停車）運行計算，驗算所配置的儲能系統電量是否滿足運行所需能耗。

仿真運行配置模塊提供待仿真車線數據的選擇及相關仿真參數的設定功能。該模塊方便用戶調整仿真參數，簡化重復性仿真的工作量。相關仿真參數包括線路、列車方案設定，運行策略設定，停站設定，停站充電設定，路口停車設定，車載儲能系統參數初始化設定等。

運行策略設定提供最大能力運行、準點節能運行、惰行節能運行等列車運行策略[10-11]。停站設定提供仿真線路中的車站是否停車及停車時長的設定接口。停站充電設定提供停車車站停車時是否在對車載儲能裝置進行充電及充電量的設定接口。路口停車設定提供仿真線路中的路口是否停車及停車時長的設定接口。車載儲能系統參數初始化則主要包括仿真初始電量的設定。

仿真結果輸出模塊提供仿真輸出結果的圖線展示、數據統計與評估、輸出格式轉換、結果打印等功能，方便用戶查看和輸出仿真結果。輸出結果圖線展示功能可選擇顯示列車運行速度、能耗、SoC（State of Charge）、電流、牽引/制動力等參數曲線，橫坐標可設置為距離或時間。數據統計與評估功能可自動統計運行區間全程的時間、能耗、平均速度、平均電流等信息，極大簡化用戶對仿真結果的處理工作。輸出格式轉換功能可將仿真結果數據以Excel表格等形式進行輸出，方便用戶調用。結果打印功能可實現以上圖線、表格的打印。

4 邏輯層關鍵問題解決方案

牽引解算模塊主要完成列車運動學的計算，動態計算運行過程中列車實時位置、速度和牽引力[12]等信息。牽引解算模塊由計算線程控制，采用等距離步長方式推進計算。牽引計算模塊主要計算流程設計如圖4所示。當系統收到開始仿真指令，線程啟動，牽引解算模塊從列車運行控制模塊[13]獲取運行工況、級位信息；根據列車牽引/制動特性曲線與工況級位，計算列車實時牽引力/制動力；同時由列車當前速度信息計算列車所受基本運行阻力，由線路數據、列車當前位置計算列車所受附加阻力；然后根據列車運動學計算列車加速度、速度、位置，并更新列車速度、位置信息；直至收到仿真結束信號，計算線程結束。

圖4 牽引計算模塊流程圖

能量管理策略模塊根據列車實時牽引/電制動力和速度計算運行需求功率PT，按照設定規則對功率進行分配，并對車載儲能系統的使用過程進行保護。能量管理策略模塊輸入參數為列車實時需求功率PT，輸出參數為車載儲能系統實時輸出功率Pes，接觸網輸出功率Pn為PT與Pes之差。

能量管理策略主要通過判斷車載儲能裝置荷電狀態SoC進行功率分配。其中涉及兩個重要參數——充電截止荷電狀態SoCmax（v）和放電截止荷電狀態SoCmin（v），二者是與列車運行速度v（單位km/h）相關的值，原因是列車速度越高動能越大，進行制動產生的再生制動能量越多，為給未來產生的再生制動預留可充電空間，可按照充/放電截止電量隨著速度的增大而降低的規則進行設置。能量管理策略參數在3.2小節列車動力集成設計中相關面板上進行設定。能量管理策略模塊控制過程如下：首先算出實時車載儲能系統最大充/放電功率Pmax，然后按以下規則得到車載儲能系統輸出功率Pes并輸出：

規則1：有接觸網區段運行時，電量大于充電截止電量SoCmax（v），禁止充電并強制放電至充電截止電量以下；

規則2：有接觸網區段運行時，電量小于放電截止電量SoCmin（v），禁止放電并強制充電至放電截止電量以上；

規則3：列車運行需求功率大于車載儲能系統最大充/放電功率Pmax，車載儲能系統按最大充/放電功率發揮；

規則4：再生制動能量優先回饋車載儲能系統。

車載儲能解算模塊主要實現車載儲能裝置電量、電流、電壓等參數的計算。對于儲能裝置的配置可選擇動力電池和超級電容兩種類型，因此對于車載儲能的參數解算也分為動力電池和超級電容兩種。

（1）動力電池型車載儲能解算流程

動力電池型車載儲能解算模塊依據電池戴維南等效電路[14]進行電壓和電流等參數的計算。電池組荷電狀態SoC的計算采用改進型安時積分法進行估算[15]。仿真計算開始時，解算模塊讀取電池組的等效電路相關特性曲線和特性參數；根據電池荷電狀態初始值SoC0，從開路電壓特性曲線中查詢電池開路電壓Uocv；根據儲能系統功率Pes計算當前負載電流I，進而根據安時積分法更新電池組荷電狀態SoC，并通過特性曲線讀取開路電壓Uocv，根據當前參數計算極化電壓Up，最后根據等效電路模型更新電池端電壓U并輸出，當前一步計算過程完成，下一步繼續循環此過程，直至接收到仿真結束信號bCalEnd，計算全過程結束。動力電池型車載儲能解算對應CBattery類，其中，充/放電效率η、電池組串聯內阻R0分別由充/放電效率特性曲線、串聯內阻特性曲線中查詢得到，極化電壓Up計算方式參考文獻[16]進行實現。動力電池型車載儲能解算模塊計算過程的偽代碼如下：

（2）超級電容型車載儲能解算流程

超級電容型車載儲能解算模塊依據超級電容等效電路模型[17]進行超級電容電壓和電流等參數的計算。仿真計算開始時，解算模塊讀取超級電容的特性曲線和特性參數，根據超級電容初始電量SoC0及SoC與超級電容開路Uocv電壓之間關系式（與超級電容額定電壓UN和最低電壓Umin有關）得到超級電容初始開路電壓；根據車載儲能系統功率Pes計算當前負載電流I，進而根據電路模型方程更新計算Uocv，并通過SoC及SoC與Uocv之間的關系式更新SoC；最后根據等效電路模型更新超級電容輸出端電壓U，當前一步計算過程完成，下一步繼續循環此過程，直至接收到仿真結束信號bCalEnd，計算全過程結束。超級電容型車載儲能解算對應CSuperCap類，其中，充/放電效率η、并聯內阻Rep和串聯內阻Res分別由超級電容充/放電效率、并聯內阻和串聯內阻特性曲線中查詢得到。超級電容型車載儲能解算模塊計算過程的偽代碼如下：

5 系統實現與驗證

混合動力列車運行仿真系統采用MFC作為開發框架，在Visual Studio 2008環境下使用C++語言實現開發。線路數據配置、列車動力集成和仿真配置功能模塊由各自對應的子面板實現功能；列車運行仿真功能模塊由運行仿真界面動態展示列車運行位置、速度、能耗、車載儲能系統電量及電流等各項參數；仿真運行結束后對仿真數據進行保存，最后鏈接至仿真系統的結果輸出模塊，由仿真結果輸出面板進行仿真數據的統計與展示、格式轉換及打印等功能。

圖5 仿真運行結果曲線展示

本文選取一列2M3T編組的城軌混合動力概念列車，選用超級電容組成車載儲能裝置，列車基本參數的設置如表1所示。仿真截取一段有軌電車試驗線路的部分線路數據，全長4.92km，共設8個停車站ST1~ST8和6個路口CR1~CR6。其中CR2、CR5兩個路口位置后100米區段以及ST3~ST4區間設置為無接觸網區段，CR1、CR3、CR5三個路口設置路口停車，ST3站設置停站充電，初始SoC設置為95%。仿真運行結果曲線展示圖如圖5所示，運行結果部分統計評估數據如表2所示。

表1 運行仿真列車基本參數

圖5的仿真結果圖線展示界面能夠直觀顯示混合動力列車在運行過程中的位移、速度、車載儲能裝置SoC、車載儲能系統電流等參數，車載儲能裝置的用電過程能夠根據能量管理規則實現充/放電；表2的相關運行結果統計參數能夠直接得到運行時間、能耗、電流等數據，減少用戶的數據處理工作量。

表2 運行結果部分統計評估數據

6 結語

本文以一類新型城市軌道交通用混合動力列車為研究對象，研究和設計了混合動力列車運行仿真系統，詳細分析了系統的功能模塊，介紹了牽引解算方法、能量管理策略和車載儲能解算方法等關鍵問題的解決方案，并利用MFC框架進行系統開發實現。最后在給定混合動力列車參數和線路數據的基礎上，利用該系統進行仿真運行并輸出相關參數，驗證了所設計系統的有效性。

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Development and Im p lementation of Operation Simulation System for Hybrid Power Train

DU Xin
（School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031）

In order to study a new type of urban hybrid power train with on-board energy storage system,simulates the train operation state under a given line,develops an operation simulation system for hybrid power train.According to the characteristics of the train operation,and de鄄sign concept about independence between modules as well as separation of view and data,designs the simulation system framework and divides its functionalmodules.Develops corresponding criticalmodules and methods for train traction calculation,energy management strategy and on-board energy storage calculation.Develops the simulation system based on MFC framework,and conducts a simulation to verify the effectiveness of the system.

杜昕（1993-），女，河南漯河人，碩士研究生，本科，研究方向為列車運行控制

2017-03-14

2017-05-03

1007-1423（2017）13-0026-07

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.17.007

混合動力列車；運行仿真系統；能量管理；車載儲能解算

Hybrid Power Train;Operation Simulation System;Energy Management;On-board Energy Storage Calculation