王　棟，劉　煒，李群湛，李鯤鵬

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031；2.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州510000)

現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行仿真系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

王棟1，劉煒1，李群湛1，李鯤鵬2

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031；2.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州510000)

在深入分析超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車車輛牽引特性和供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，建立了儲能式現(xiàn)代有軌電車能量傳輸模型和超級電容器組充放電效率模型。利用VC++軟件開發(fā)了現(xiàn)代有軌電車牽引運(yùn)行及其供電仿真分析軟件。結(jié)合廣州海珠區(qū)環(huán)島新型有軌電車工程，實(shí)例計算驗證了該仿真系統(tǒng)的合理性。該系統(tǒng)可為車輛選型和供電系統(tǒng)設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。

超級電容；現(xiàn)代有軌電車；仿真系統(tǒng)

經(jīng)過全面技術(shù)改造的現(xiàn)代有軌電車，已經(jīng)不同于傳統(tǒng)的有軌電車，更凸顯其節(jié)能，舒適度高和經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注[1-2]。在廣州海珠區(qū)，即將投入運(yùn)行的環(huán)島新型有軌電車使用了以超級電容為儲能裝置的現(xiàn)代有軌電車，在運(yùn)行過程中完全脫離接觸網(wǎng)，停站時充電。目前，國內(nèi)外現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行仿真設(shè)計軟件很少，本文針對超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車，在深入分析其牽引特性和供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用VC++開發(fā)了現(xiàn)代有軌電車牽引運(yùn)行和供電仿真分析設(shè)計軟件。該軟件對現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)設(shè)計，尤其是在車輛選型和供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面有重要的指導(dǎo)意義。

1　仿真系統(tǒng)主要模型介紹

1.1列車能量傳輸模型

以超級電容為儲能裝置的現(xiàn)代有軌電車，在充電站，列車通過充電站給車載超級電容器組充電。列車在站間運(yùn)行過程中由儲能裝置實(shí)現(xiàn)無接觸網(wǎng)供電。牽引過程中，超級電容器組輸出直流電壓，經(jīng)DC/DC變換后再經(jīng)逆變器驅(qū)動牽引電機(jī)，由牽引電機(jī)帶動傳動齒輪使列車前進(jìn)；在再生制動過程中，能量傳輸剛好相反，將列車再生制動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能向超級電容器組充電；在惰行過程中，超級電容器組輸出的能量僅用于列車的輔助用電[3]。列車能量傳輸過程如圖1所示。

圖1　現(xiàn)代有軌電車能量傳輸模型

現(xiàn)代有軌電車在牽引過程中，儲能裝置的容量和機(jī)械功率的關(guān)系如式(1)所示：

式中：E為儲能設(shè)備總能量；ηsc為超級電容器組放電效率；ηdcdc為DC/DC變換器效率；ηinv為逆變器效率；ηmech為齒輪比效率；ηem為電機(jī)效率；F為列車受到的牽引力；V為列車運(yùn)行的速度。

列車在制動過程中，再生制動的能量和機(jī)械功率滿足：

式中：E'為再生制動能量；η'sc為超級電容器組充電效率。

列車在惰行過程中，儲能裝置僅用于輔助供電，其消耗的電能為：

式中：Ef為輔助用電耗電量；Pf為列車輔助用電功率；t為輔助用電時間。

1.2超級電容器組充放電效率模型

在現(xiàn)代有軌電車能量傳輸模型中，ηdcdc、ηinv、ηmech、ηem幾乎為固定值[4]，而ηsc受列車運(yùn)行工況變化的影響。作為列車唯一的能量來源，超級電容器組儲能裝置的充放電效率對計算儲能設(shè)備的SoC和列車運(yùn)行過程中的能耗顯得十分關(guān)鍵。

超級電容器組的等效模型如圖2(a)所示。其中RP為等效并聯(lián)電阻，C為理想電容，RS為等效串聯(lián)內(nèi)阻。RS反映了超級電容器組在充放電過程中會產(chǎn)生熱量，同時由于電阻有電壓降落，會產(chǎn)生電壓紋波。而RP反應(yīng)了超級電容漏電特性，一般只對長期儲能有影響[5-6]。因此在實(shí)際應(yīng)用中，圖2(a)常簡化成只有C和RS的串聯(lián)形式，如圖2(b)所示。

圖2　超級電容器組等效模型

現(xiàn)代有軌電車在運(yùn)行過程中，超級電容器組等效電路模型以及輸出端電壓關(guān)系如圖2(b)所示。圖中，U1為等效超級電容端電壓，U2為串聯(lián)電阻端電壓，U為儲能裝置對外輸出電壓。

在牽引和惰行過程中，任意時刻的電壓關(guān)系為：

能量關(guān)系為：

式中：ΔE1為超級電容釋放的能量；ΔE2為在電阻上消耗的能量；ΔE為超級電容儲能設(shè)備對外輸出的能量(即外界消耗的能量)。

計算機(jī)在仿真計算時，在每個很短的仿真時間單元Δt內(nèi)，認(rèn)為流過超級電容上的電流是恒定的，則I=C×ΔU/Δt，即可以用單位時間內(nèi)超級電容電壓的變化來表示流過串聯(lián)電阻上的電流大小。設(shè)每個時間單元仿真計算之前，超級電容的電壓為U1(即超級電容電壓當(dāng)前狀態(tài))，每個時間單元仿真計算之后，超級電容電壓為U'1，則在每個仿真時間單元中，式(5)可以改寫為：

從而計算出列車牽引和惰行過程中，超級電容器組在每個仿真時間單元下的放電效率為：

在制動的過程中，任意時刻的電壓關(guān)系為：能量關(guān)系為：

式中：ΔE'1為超級電容吸收的能量；ΔE'2為在電阻上消耗的能量；ΔE'為外界向超級電容儲能設(shè)備輸入的能量。與放電過程的計算類似，同理可以求出：

則列車制動充電過程中，超級電容器組在每個仿真單元下的充電效率為：

1.3供電計算模型

超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)，一般在全線車站位置設(shè)置有充電站，分別向上、下行停站的車輛充電，如圖3所示。

圖3　現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)

由于超級電容在充電過程中使用大電流，且列車頻繁進(jìn)站充電，負(fù)荷波動較大，因此有必要對充電站交流側(cè)電網(wǎng)電壓及功率進(jìn)行仿真計算，這對于供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計十分重要。潮流計算是對電力系統(tǒng)的功率分布和電壓分布的計算。仿真系統(tǒng)中采用牛頓拉夫遜法進(jìn)行求解。

2　仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行及其牽引供電仿真分析軟件，以下簡稱TOAPS系統(tǒng)。TOAPS是利用VC++工具在Windows平臺下開發(fā)完成，目標(biāo)是建立一個從超級電容儲能式有軌電車牽引計算到供電仿真的完整體系。對于超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車，其車輛的續(xù)航能力和儲能裝置在充電過程中給電網(wǎng)造成的影響[7]是現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行系統(tǒng)最關(guān)心的問題，這也是TOAPS系統(tǒng)主要的研究對象。該系統(tǒng)主要由牽引計算模塊和供電仿真模塊構(gòu)成。

在牽引計算模塊中，用戶可以對現(xiàn)代有軌電車的車輛參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如車長、車重、儲能裝置容量、牽引、制動特性曲線等。也可對運(yùn)行線路進(jìn)行編輯，包括車站、路口、限速等信息。列車在仿真過程中，如速度、位置、儲能裝置SoC、儲能設(shè)備端電壓、能耗等信息均可時時顯示。仿真結(jié)束后可以保存相應(yīng)的仿真結(jié)果，該結(jié)果可以以TXT文本報表，Word報表或者CAD報表的形式輸出。

在供電仿真模塊中，TOAPS提供了圖形化操作功能，用戶可以很方便地搭建供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并設(shè)置相應(yīng)的元件參數(shù)。由于供電仿真是模擬多列車運(yùn)行情況，因此在仿真前需要設(shè)置運(yùn)行圖信息。超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車裝有大功率的逆變器，作為諧波源，它在充電過程中會向充電站交流側(cè)注入諧波。為了評估諧波對電網(wǎng)的影響，TOAPS提供了諧波估算的功能。供電仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)可以調(diào)用相應(yīng)窗口時時顯示，仿真結(jié)束后可以將結(jié)果保存，方便下次查看。該結(jié)果同樣可以TXT文本報表或者Word報表的形式輸出。圖4給出了TOAPS系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)。

圖4　TOAPS系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)

3　TOAPS系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

以廣州海珠區(qū)環(huán)島新型有軌電車試驗段工程為例，對超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車進(jìn)行牽引計算和供電仿真。

3.1車輛參數(shù)

現(xiàn)代有軌電車車輛參數(shù)如表1所示。

表1　現(xiàn)代有軌電車車輛參數(shù)

3.2線路參數(shù)

仿真線路為廣州海珠區(qū)環(huán)島新型有軌電車試驗段部分線路。線路起始于萬勝圍，終止于會展西。線路坡道信息和曲線信息分別如表2和表3所示。沿線車站及停車設(shè)置如表4所示。

表2　線路坡道信息

表3　線路曲線信息

表4　車站及停車信息

3.3供電仿真參數(shù)

系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為DC750 V，供電系統(tǒng)采用10 kV市電進(jìn)線，環(huán)網(wǎng)電纜采用150mm規(guī)格的導(dǎo)線。充電站動力變壓器容量均為100 kVA，整流變壓器容量為800 kVA，充電站動力負(fù)荷功率因素為0.85，充電站充電功率因素為0.95。

3.4牽引計算仿真結(jié)果

在超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車的牽引計算中，儲能設(shè)備的SoC(State of Charge)、列車的速度、能耗及儲能裝置端電壓是反應(yīng)現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行狀況的重要指標(biāo)，其隨位置變化的關(guān)系如圖5所示。

圖5　SoC、速度、能耗及儲能設(shè)備端電壓隨位置變化曲線

超級電容器組儲能裝置是列車唯一的能量來源，其剩余能量的多少直接反映了列車的牽引能力。超級電容的能量利用率高達(dá)90%以上[8-9]，即SoC可以到0.3甚至更低。但實(shí)際運(yùn)行中，為了保護(hù)超級電容，下限安全值一般為0.3[10]。從圖5可以看出，列車除在第一個常區(qū)間SoC最低達(dá)到0.3，其余位置均保持在0.4以上，這反應(yīng)了儲能設(shè)備具有足夠的能量供列車牽引使用。列車在整個運(yùn)行過程中牽引能耗占總能耗的82.57%。在制動時，列車將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能為儲能設(shè)備充電。列車的空調(diào)、照明等輔助用電能耗占牽引總能耗的17.43%。列車在停站30 s的時間內(nèi)，采用1 700 A的充電電流，可以保證將列車儲能設(shè)備充至滿電壓從而為列車在下一個區(qū)間的行駛提供足夠的能量。

3.5供電仿真結(jié)果

在供電仿真計算中需要有軌電車上下行線路的牽引計算結(jié)果，采用遠(yuǎn)期每小時17對的發(fā)車密度并由此生成列車運(yùn)行圖，如圖6所示。

圖6　列車運(yùn)行圖

在多列車運(yùn)行仿真過程中，各充電站電壓、功率和PCC點(diǎn)功率隨時間變化的曲線如圖7所示。

圖7　充電站電壓、功率及PCC點(diǎn)功率隨時間變化曲線

充電站平均功率為221.938 kW，PCC點(diǎn)平均功率為1 260.596 kW。列車僅在充電時刻會對電網(wǎng)電壓造成波動，最大電壓偏差為1.899%。電壓PCC點(diǎn)處諧波即畸變率為0.222%，均未超過國標(biāo)限值。

4　結(jié)束語

現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行系統(tǒng)的建模與仿真越來越受到人們的關(guān)注。應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)，不僅可以對現(xiàn)代有軌電車在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)估，還能為車輛選型和供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計給出指導(dǎo)意義。TOAPS軟件憑借其全圖形化用戶界面、豐富的仿真庫資源和強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，必將在超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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Development and application of simulation system for modern tram operation

WANG Dong1,LIU Wei1,LI Qun-zhan1,LI Kun-peng2
(1.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China；2.Guangzhou Metro Design and Research Institute Corporation Ltd,Guangzhou Guangdong 510000,China)

On the basis of deeply studying the characteristics about train traction and power system structure of modern train which powered by ultracapacitors,energy storage modern tram energy transmission model and ultracapacitors charging and discharging efficiency model were presented.Modern tram traction run and power simulation system was developed based on Windows platform by VC++.The simulation system was verified by examples of calculation as well as the modern tram project in Guangzhou haizhu Ring Island.This system provides an important frame of reference for tram selection and power system design.

ultracapacitors；modern tram；simulation system

TM 53

A

1002-087 X(2016)10-2040-04

2016-03-26

王棟(1990—)，男，江蘇省人，碩士研究生，主要研究方向為城市軌道交通牽引計算和供電仿真、現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行仿真系統(tǒng)開發(fā)。