混合储能式有轨电车牵引仿真技术研究

钱江林，范志峰

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

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。其主电路拓扑如图1所示，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。

图1 主电路拓扑

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，对应图2(b)。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。

图2 不同的节能运行策略

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，如图3所示。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。

图3 不同巡航速度下的定时运行

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如图4所示，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。

图4 不同巡航速度下的能耗对比

改变平均速度(运行时间)后按上述方法可分别找到不同平均速度下的能耗最小的巡航速度，平均速度为20～35 km/h，仿真结果如表1所示，利用曲线拟合工具可得出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。

表1 平均速度与能耗最小的巡航速度仿真结果

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如图5所示。

图5 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如图6所示，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。

图6 牵引仿真结果

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。