混合儲能式有軌電車牽引仿真技術研究

錢江林，范志峰

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

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。其主電路拓撲如圖1所示，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。

圖1 主電路拓撲

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，對應圖2(b)。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。

圖2 不同的節能運行策略

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，如圖3所示。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。

圖3 不同巡航速度下的定時運行

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如圖4所示，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。

圖4 不同巡航速度下的能耗對比

改變平均速度(運行時間)后按上述方法可分別找到不同平均速度下的能耗最小的巡航速度，平均速度為20～35 km/h，仿真結果如表1所示，利用曲線擬合工具可得出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。

表1 平均速度與能耗最小的巡航速度仿真結果

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。考慮實際線路條件及混合供電的牽引仿真計算流程如圖5所示。

圖5 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如圖6所示，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。

圖6 牽引仿真結果

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。