張明銳 張海龍 唐賈言 鐘建輝

（1．同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海；2.上海市城市建設設計研究總院，200125，上?！蔚谝蛔髡撸淌冢?/p>

超級電容有軌電車的牽引供電系統(tǒng)仿真計算軟件開發(fā)與應用*

張明銳1張海龍1唐賈言2鐘建輝2

（1．同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海；2.上海市城市建設設計研究總院，200125，上?！蔚谝蛔髡?，教授）

以列車動力學模型為基礎，通過對超級電容有軌電車供電關鍵技術、超級電容充放電特性以及車輛牽引特性的研究，設計開發(fā)了適用于超級電容有軌電車的牽引供電仿真計算軟件。根據(jù)用戶需求，可得到車輛在各類型運營條件下的牽引計算數(shù)據(jù)，包括各區(qū)間的走行距離、走行時間、平均速度、牽引能耗等信息。利用線路各區(qū)間能耗數(shù)據(jù)，在滿足工程裕度的情況下，可對車載超級電容容量進行配置，也可通過已配置好的超級電容參數(shù)，計算出列車在工程線路上的續(xù)航能力。以江蘇淮安超級電容有軌電車項目為例進行全線仿真計算，測試結(jié)果顯示系統(tǒng)計算精度較高，具有較好的工程應用價值。

有軌電車；超級電容；牽引供電系統(tǒng)；續(xù)航能力

超級電容有軌電車，以超級電容器作為動力儲存裝置，全線架設地面或架空供電系統(tǒng)，僅利用停站時間即可完成充電，能量回饋率達到85%，具有大容量、高功率比、高能量比等高性能指標［1］。由于無接觸網(wǎng)，大大改善了沿線道路尤其是交叉路口的城市景觀。隨著超級電容器性價比的提高，超級電容有軌電車發(fā)展迅猛。

目前，針對于有接觸網(wǎng)（接觸軌）的牽引供電計算軟件已經(jīng)較為成熟，已廣泛應用于地鐵牽引供電設計中。而在有軌電車的牽引供電計算中，也普遍采用的是針對接觸網(wǎng)和地面供電系統(tǒng)的地鐵的牽引計算軟件。超級電容有軌電車，其容量遠遠大于蓄電池有軌電車和超級電容公交車；其供電的短時沖擊特性，遠遠大于接觸網(wǎng)和地面供電有軌電車；其配電容量，遠遠高于一般有軌電車。因此，其牽引供電的關鍵技術，亦與地鐵、公交的無軌電車和接觸網(wǎng)有軌電車有所不同。目前，鮮有針對超級電容有軌電車的牽引供電計算軟件。超級電容有軌電車牽引供電系統(tǒng)仿真計算軟件，不僅可以提高工程設計效率，還可以模擬工程實際運營的一些復雜工況，是現(xiàn)代有軌電車供電設計的重要技術手段。

1 超級電容有軌電車牽引供電系統(tǒng)

1.1 總體方案

外部電源供電方式可分為集中式、分散式和混合式3種供電方式。集中式與分散式供電方案的比較見表1。

表1 集中式與分散式供電方案比較

半集中供電方案介乎于集中供電和分散供電之間，沒有建設主變電所的問題，也不必引入較多的外部電源。通過以上分析，在城市供電網(wǎng)絡條件較為完備的情形下，半集中供電方式整體技術經(jīng)濟指標優(yōu)于集中式供電方式和分散式供電方式。而且半集中供電方案也可以彌補分散供電的不足，在滿足供電負荷需求的同時，可以充分發(fā)揮分散供電方式的負荷力矩特點。

江蘇淮安有軌電車全線設置4座10 kV中心配電室、每座10 kV中心配電室從城市電網(wǎng)引入2路獨立電源，通過自建10 kV中壓網(wǎng)絡向全線的牽引變電所和降壓變電所供電。中壓網(wǎng)絡采用單環(huán)網(wǎng)接線方式。

牽引供電系統(tǒng)由主降壓變電所、直流牽引變電所、饋電線、站臺充電機、充電軌、走行軌及回流線等組成。由城市電網(wǎng)引來10 kV電源，通過建設10 kV中心配電室，將電源分配給有軌電車供電系統(tǒng)使用。經(jīng)牽引變電所降壓整流后輸出直流1 500 V，通過站臺充電機斬波輸出900 V供給充電軌。列車進站后，站臺的充電設備對列車充電，即通過車頂?shù)氖茈娖髋c充電架（接觸軌）接觸，向列車上的車載超級電容器充電。充電示意圖如圖1所示。

圖1 站臺充電機供電系統(tǒng)

1.2 車載超級電容容量的配置

超級電容有軌電車在運行過程中，全線無接觸網(wǎng)，僅由列車車載超級電容為列車提供所需的電能。因此，列車輸入的能量為：

式中：

Wi——列車輸入的能量；

t——運行時間；

u（t）——某一時刻車載超級電容的瞬時電壓；

i+（t）——某一時刻車載超級電容的正向電流。

即列車輸入的能量等于超級電容的瞬時電壓與正向電流乘積的積分。

當列車處于再生制動工況時，列車向車載超級電容反饋的能量為：

式中：

Wf——列車向車載超級電容反饋的能量；

t1——列車再生制動開始時刻；

t2——列車再生制動結(jié)束時刻；

i-（t）——某一時刻車載超級電容的負向電流。

因此，列車在一個區(qū)間內(nèi)運行所需的能量為：

式中：

Wh——列車在一個區(qū)間內(nèi)運行所需的能量。

對線路全線進行牽引仿真計算，從中選出能耗最大的區(qū)間，在配置超級電容時，超級電容可釋放的能量應大于該區(qū)間內(nèi)列車的能耗，使得列車能夠安全通過這一無電區(qū)間。

車載超級電容所能釋放的總能量需大于列車所需的能量：

式中：

Cz——列車車載超級電容的總?cè)萘浚?/p>

umax——列車車載超級電容最高工作電壓；

umin——列車車載超級電容最低工作電壓。

超級電容的總?cè)萘繛椋?/p>

1.3 車載超級電容的續(xù)航能力

由于超級電容有軌電車的供電技術較為特殊，除站點有充電設備外，列車在運行時所需的電能全部由超級電容所提供，列車車載超級電容的能量需滿足列車能夠駛過工程線路中最大的無電區(qū)間，因此需計算超級電容的續(xù)航能力，以保證線路運行的可靠性?？筛鶕?jù)公式（6）計算出超級電容可釋放的能量，在牽引計算過程中，能量達到超級電容可釋放的最大能量時，計算出此時已走過的距離。

超級電容可釋放的最大能量計算公式為：

式中：

E——超級電容可釋放的最大能量。

牽引計算能耗計算公式為：

式中：

Et——牽引計算能耗；

t3——列車起動時刻；

t4——列車制動結(jié)束時刻；

U——列車車載超級電容放電電壓；

I——列車車載超級電容放電電流。

考慮工程余量，則E≥ Et，當E=Et時，計算已走過的距離，此時為列車在充滿一次電后的最大走行距離，即超級電容的續(xù)航能力。計算流程如圖2所示。

2 軟件開發(fā)

2.1 系統(tǒng)組成

圖2 軟件計算流程圖

系統(tǒng)以Visual Studio 2008為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫軟件，利用ADO技術實現(xiàn)兩者間數(shù)據(jù)的交互操作，選用C#作為編程語言。系統(tǒng)由用戶層和數(shù)據(jù)庫層組成，具備對超級電容有軌電車的牽引計算和供電計算的功能。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 算法實現(xiàn)

整個工程是一個多區(qū)間解算過程，如圖3所示，通過制動反算和牽引正算得到單區(qū)間計算結(jié)果，即模擬一輛列車設定了速度后，在線路上的運行情況，包括牽引、惰行、勻速、制動等運行狀態(tài)。通過判斷是否為到站充電進行牽引計算，如果為到站充電，可計算出列車在每個區(qū)間運行后車載超級電容的剩余電量。如果站間不停站，可計算出超級電容充滿一次電后的續(xù)航里程。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

3 算例仿真

3.1 仿真參數(shù)

3.1.1 車輛參數(shù)

車輛參數(shù)如表2所示。

3.1.2 車輛牽引特性

正常運行模式AW3（超員載荷）工況下車輛牽引/制動特性,如圖4所示。圖中，速度26.5 km/h處為恒功率起始點，最大牽引力96 kN；速度55 km/h處為自然特性起始點；AW3時最大電制動力為102 kN，57 km/h處為自然特性點。

3.1.3 超級電容參數(shù)

超級電容參數(shù)見表3。

3.2 仿真計算結(jié)果

3.2.1 牽引計算統(tǒng)計分析

上行列車牽引計算統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表2 車輛參數(shù)

表3 超級電容參數(shù)

圖4 牽引/制動特性圖

3.2.2 供電計算結(jié)果

武漢漢陽超級電容有軌電車工程線路中最大的無電區(qū)間為1 288 m，在列車最大速度為60 km/h時以最大牽引力牽引，以最大制動力制動的工況下，充滿一次電后，列車可行駛1 899 m，可安全通過最大無電區(qū)間。為了運行安全可靠，需在每站設立充電裝置，列車需在每站進行充電，以保證運行的可靠性。列車在各區(qū)間運行后的SOE（能量狀態(tài)）見圖5。

表4 上行列車牽引計算統(tǒng)計結(jié)果（近期）

正線變電所選用2臺1 250 kV·A的整流變壓器，滿足在同一供電區(qū)段內(nèi)4臺列車同時充電的容量需求。

若按照恒流1 800 A充電，充電最高電壓為900 V，峰值功率為1 620 kW，為降低充電峰值功率疊加對電網(wǎng)造成過大波動的影響，經(jīng)過計算驗證，充電峰值功率可由原1 620 kW降低到1 500 kW，充電曲線見圖6。

圖5 SOE與區(qū)間關系圖

圖6 改進充電曲線

充電過程：

（1）恒流充電階段

儲能電源恒流階段以1 800 A進行充電（電流上升時間可調(diào)節(jié)），儲能電源電壓從0一直上升，直至車載儲能電源上的電壓達到820 V。

（2）恒功率充電階段

當儲能電源的電壓達到820 V時，充電柜裝置開始恒功率1 500 kW對車載儲能電源充電，此階段一直持續(xù)到儲能電源的電壓達到900 V。

（3）恒壓充電階段

當儲能電源的電壓達到900 V后，充電柜裝置開始恒壓900 V對儲能電源充電，此階段一直持續(xù)到儲能電源的充電電流為0。

各變電所母線處的電壓損失以為其提供電源的中心配電室母線電壓為相對基準零點。故障運行方式下，考慮到行車組織中15對/h的高峰時間全日僅有2 h，其余運營時間內(nèi)，行車間隔最高為12對/h，多數(shù)為10對/h，因此，在故障運行方式下，如滿足高峰小時運量，中壓網(wǎng)絡投資增加較大，綜合技術經(jīng)濟指標較差。此外，2個中心配電室電源回路來自城市電網(wǎng)共用線路，10 kV城市電網(wǎng)電源回路容量不超過12 000 kW，如共用線路回路滿足故障運行方式下的高峰小時運量，對共用線路容量占用較大。各變電所母線處電壓降計算如表5所示。

表5 各變電所母線處電壓降計算

由軟件短路計算模塊可得出三相穩(wěn)態(tài)短路電流最大值發(fā)生在中心配電室處，此時短路電流為7.54 kA。三相穩(wěn)態(tài)短路電流最小值發(fā)生在線路末端牽引變電所，為A3變電所，距離中心配電室3.970 km，短路電流值為3.5 kA。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)以C#為開發(fā)語言，Microsoft Visual Studio 2008和SQL Server 2005為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了一套適用于超級電容有軌電車的牽引計算軟件。該軟件具有牽引計算、計算超級電容儲存能量、計算超級電容續(xù)航能力，以及根據(jù)線路對超級電容進行配置的功能。對江蘇淮安超級電容有軌電車項目進行了全線仿真計算，計算結(jié)果較為精確，對于未來的超級電容有軌電車項目建設，具有良好的工程應用和參考價值。

［1］ 劉友梅.儲能式輕軌車——通向節(jié)能、環(huán)保和智能化［J］.城市軌道交通研究，2012（10）：16.

［2］ 周曙，陳建君.地鐵與輕軌的供電仿真計算算法分析［J］.電氣化鐵道，2001（4）：23.

［3］ 劉煒．城市軌道交通列車運行過程優(yōu)化及牽引供電系統(tǒng)動態(tài)仿真［D］.成都:西南交通大學電氣工程學院，2009.

［4］ 劉海東，何天健，袁振洲，等.城市軌道交通直流牽引供電仿真系統(tǒng)的研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2004，16（9）：1944.

［5］ 胡斌，楊中平，林飛，等.城市軌道交通用超級電容器組等效電路模型研究［J］.機車電傳動，2013（5）：65.

［6］ 朱波，樸學松，楊建宇.超級電容儲能系統(tǒng)在軌道車輛的應用［J］.鐵道機車車輛，2014，34（2）：74.

［7］ 陽濤，伍道樂，陳鐵柱，等.基于軌道交通應用的超級電容性能測試研究［J］.科技信息，2013（12）：403.

Development and Application of Simulation Software for Traction Power System Based on Super Capacitor

ZHANG Mingrui，ZHANG Hailong，TANG Jiayan，ZHONG Jianhui

Based on the train dynamics model，the study of key technologies for super capacitor tram power supply，super capacitor charging/discharging characteristics and the characteristics of vehicle traction，a traction power supply simulation software suitable for super capacitor tram is designed and developed.According to customers needs，the traction calculation data in various operating conditions of vehicles can be obtained，including the running distance and time，average speed，traction energy consumption in each section.Meanwhile，in meeting the engineering margin，the on-board super capacitor capacity can be configured by using the line interval energy consumption data，the endurance of train on the project line can be calculated according to super capacitor parameters configuration.Finally，based on the super capacitor tram project in Huai′an City，the whole line is simulated and the results show that the system calculation has good engineering application value with higher precision.

tram；super capacitor；traction power system；endurance ability

TM922.3：U482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.11.015

First-author′s address College of Electronics and Information Engineering，Tongji University，201804，Shanghai，China

*國家科技支撐計劃資助項目（2015BAG19B02）；上海市城市建設設計研究總院資助項目

2016-02-25）