超級(jí)電容有軌電車的牽引供電系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件開發(fā)與應(yīng)用*

張明銳 張海龍 唐賈言 鐘建輝

（1．同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上海；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，200125，上海∥第一作者，教授）

超級(jí)電容有軌電車的牽引供電系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件開發(fā)與應(yīng)用*

張明銳1張海龍1唐賈言2鐘建輝2

（1．同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上海；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，200125，上海∥第一作者，教授）

以列車動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)超級(jí)電容有軌電車供電關(guān)鍵技術(shù)、超級(jí)電容充放電特性以及車輛牽引特性的研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于超級(jí)電容有軌電車的牽引供電仿真計(jì)算軟件。根據(jù)用戶需求，可得到車輛在各類型運(yùn)營(yíng)條件下的牽引計(jì)算數(shù)據(jù)，包括各區(qū)間的走行距離、走行時(shí)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(duì)車載超級(jí)電容容量進(jìn)行配置，也可通過(guò)已配置好的超級(jí)電容參數(shù)，計(jì)算出列車在工程線路上的續(xù)航能力。以江蘇淮安超級(jí)電容有軌電車項(xiàng)目為例進(jìn)行全線仿真計(jì)算，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)計(jì)算精度較高，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

有軌電車；超級(jí)電容；牽引供電系統(tǒng)；續(xù)航能力

超級(jí)電容有軌電車，以超級(jí)電容器作為動(dòng)力儲(chǔ)存裝置，全線架設(shè)地面或架空供電系統(tǒng)，僅利用停站時(shí)間即可完成充電，能量回饋率達(dá)到85%，具有大容量、高功率比、高能量比等高性能指標(biāo)［1］。由于無(wú)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(jí)電容器性價(jià)比的提高，超級(jí)電容有軌電車發(fā)展迅猛。

目前，針對(duì)于有接觸網(wǎng)（接觸軌）的牽引供電計(jì)算軟件已經(jīng)較為成熟，已廣泛應(yīng)用于地鐵牽引供電設(shè)計(jì)中。而在有軌電車的牽引供電計(jì)算中，也普遍采用的是針對(duì)接觸網(wǎng)和地面供電系統(tǒng)的地鐵的牽引計(jì)算軟件。超級(jí)電容有軌電車，其容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蓄電池有軌電車和超級(jí)電容公交車；其供電的短時(shí)沖擊特性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸網(wǎng)和地面供電有軌電車；其配電容量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般有軌電車。因此，其牽引供電的關(guān)鍵技術(shù)，亦與地鐵、公交的無(wú)軌電車和接觸網(wǎng)有軌電車有所不同。目前，鮮有針對(duì)超級(jí)電容有軌電車的牽引供電計(jì)算軟件。超級(jí)電容有軌電車牽引供電系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件，不僅可以提高工程設(shè)計(jì)效率，還可以模擬工程實(shí)際運(yùn)營(yíng)的一些復(fù)雜工況，是現(xiàn)代有軌電車供電設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段。

1 超級(jí)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(méi)有建設(shè)主變電所的問(wèn)題，也不必引入較多的外部電源。通過(guò)以上分析，在城市供電網(wǎng)絡(luò)條件較為完備的情形下，半集中供電方式整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(bǔ)分散供電的不足，在滿足供電負(fù)荷需求的同時(shí)，可以充分發(fā)揮分散供電方式的負(fù)荷力矩特點(diǎn)。

江蘇淮安有軌電車全線設(shè)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(dú)立電源，通過(guò)自建10 kV中壓網(wǎng)絡(luò)向全線的牽引變電所和降壓變電所供電。中壓網(wǎng)絡(luò)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(tái)充電機(jī)、充電軌、走行軌及回流線等組成。由城市電網(wǎng)引來(lái)10 kV電源，通過(guò)建設(shè)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(guò)站臺(tái)充電機(jī)斬波輸出900 V供給充電軌。列車進(jìn)站后，站臺(tái)的充電設(shè)備對(duì)列車充電，即通過(guò)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(jí)電容器充電。充電示意圖如圖1所示。

圖1 站臺(tái)充電機(jī)供電系統(tǒng)

1.2 車載超級(jí)電容容量的配置

超級(jí)電容有軌電車在運(yùn)行過(guò)程中，全線無(wú)接觸網(wǎng)，僅由列車車載超級(jí)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(yùn)行時(shí)間；

u（t）——某一時(shí)刻車載超級(jí)電容的瞬時(shí)電壓；

i+（t）——某一時(shí)刻車載超級(jí)電容的正向電流。

即列車輸入的能量等于超級(jí)電容的瞬時(shí)電壓與正向電流乘積的積分。

當(dāng)列車處于再生制動(dòng)工況時(shí)，列車向車載超級(jí)電容反饋的能量為：

式中：

Wf——列車向車載超級(jí)電容反饋的能量；

t1——列車再生制動(dòng)開始時(shí)刻；

t2——列車再生制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻；

i-（t）——某一時(shí)刻車載超級(jí)電容的負(fù)向電流。

因此，列車在一個(gè)區(qū)間內(nèi)運(yùn)行所需的能量為：

式中：

Wh——列車在一個(gè)區(qū)間內(nèi)運(yùn)行所需的能量。

對(duì)線路全線進(jìn)行牽引仿真計(jì)算，從中選出能耗最大的區(qū)間，在配置超級(jí)電容時(shí)，超級(jí)電容可釋放的能量應(yīng)大于該區(qū)間內(nèi)列車的能耗，使得列車能夠安全通過(guò)這一無(wú)電區(qū)間。

車載超級(jí)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(jí)電容的總?cè)萘浚?/p>

umax——列車車載超級(jí)電容最高工作電壓；

umin——列車車載超級(jí)電容最低工作電壓。

超級(jí)電容的總?cè)萘繛椋?/p>

1.3 車載超級(jí)電容的續(xù)航能力

由于超級(jí)電容有軌電車的供電技術(shù)較為特殊，除站點(diǎn)有充電設(shè)備外，列車在運(yùn)行時(shí)所需的電能全部由超級(jí)電容所提供，列車車載超級(jí)電容的能量需滿足列車能夠駛過(guò)工程線路中最大的無(wú)電區(qū)間，因此需計(jì)算超級(jí)電容的續(xù)航能力，以保證線路運(yùn)行的可靠性。可根據(jù)公式（6）計(jì)算出超級(jí)電容可釋放的能量，在牽引計(jì)算過(guò)程中，能量達(dá)到超級(jí)電容可釋放的最大能量時(shí)，計(jì)算出此時(shí)已走過(guò)的距離。

超級(jí)電容可釋放的最大能量計(jì)算公式為：

式中：

E——超級(jí)電容可釋放的最大能量。

牽引計(jì)算能耗計(jì)算公式為：

式中：

Et——牽引計(jì)算能耗；

t3——列車起動(dòng)時(shí)刻；

t4——列車制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻；

U——列車車載超級(jí)電容放電電壓；

I——列車車載超級(jí)電容放電電流。

考慮工程余量，則E≥ Et，當(dāng)E=Et時(shí)，計(jì)算已走過(guò)的距離，此時(shí)為列車在充滿一次電后的最大走行距離，即超級(jí)電容的續(xù)航能力。計(jì)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(jì)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(kù)軟件，利用ADO技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩者間數(shù)據(jù)的交互操作，選用C#作為編程語(yǔ)言。系統(tǒng)由用戶層和數(shù)據(jù)庫(kù)層組成，具備對(duì)超級(jí)電容有軌電車的牽引計(jì)算和供電計(jì)算的功能。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

整個(gè)工程是一個(gè)多區(qū)間解算過(guò)程，如圖3所示，通過(guò)制動(dòng)反算和牽引正算得到單區(qū)間計(jì)算結(jié)果，即模擬一輛列車設(shè)定了速度后，在線路上的運(yùn)行情況，包括牽引、惰行、勻速、制動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)判斷是否為到站充電進(jìn)行牽引計(jì)算，如果為到站充電，可計(jì)算出列車在每個(gè)區(qū)間運(yùn)行后車載超級(jí)電容的剩余電量。如果站間不停站，可計(jì)算出超級(jí)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(yùn)行模式AW3（超員載荷）工況下車輛牽引/制動(dòng)特性,如圖4所示。圖中，速度26.5 km/h處為恒功率起始點(diǎn)，最大牽引力96 kN；速度55 km/h處為自然特性起始點(diǎn)；AW3時(shí)最大電制動(dòng)力為102 kN，57 km/h處為自然特性點(diǎn)。

3.1.3 超級(jí)電容參數(shù)

超級(jí)電容參數(shù)見表3。

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果

3.2.1 牽引計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析

上行列車牽引計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表2 車輛參數(shù)

表3 超級(jí)電容參數(shù)

圖4 牽引/制動(dòng)特性圖

3.2.2 供電計(jì)算結(jié)果

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

表4 上行列車牽引計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果（近期）

正線變電所選用2臺(tái)1 250 kV·A的整流變壓器，滿足在同一供電區(qū)段內(nèi)4臺(tái)列車同時(shí)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(duì)電網(wǎng)造成過(guò)大波動(dòng)的影響，經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)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(guān)系圖

圖6 改進(jìn)充電曲線

充電過(guò)程：

（1）恒流充電階段

儲(chǔ)能電源恒流階段以1 800 A進(jìn)行充電（電流上升時(shí)間可調(diào)節(jié)），儲(chǔ)能電源電壓從0一直上升，直至車載儲(chǔ)能電源上的電壓達(dá)到820 V。

（2）恒功率充電階段

當(dāng)儲(chǔ)能電源的電壓達(dá)到820 V時(shí)，充電柜裝置開始恒功率1 500 kW對(duì)車載儲(chǔ)能電源充電，此階段一直持續(xù)到儲(chǔ)能電源的電壓達(dá)到900 V。

（3）恒壓充電階段

當(dāng)儲(chǔ)能電源的電壓達(dá)到900 V后，充電柜裝置開始恒壓900 V對(duì)儲(chǔ)能電源充電，此階段一直持續(xù)到儲(chǔ)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(duì)基準(zhǔn)零點(diǎn)。故障運(yùn)行方式下，考慮到行車組織中15對(duì)/h的高峰時(shí)間全日僅有2 h，其余運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)，行車間隔最高為12對(duì)/h，多數(shù)為10對(duì)/h，因此，在故障運(yùn)行方式下，如滿足高峰小時(shí)運(yùn)量，中壓網(wǎng)絡(luò)投資增加較大，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差。此外，2個(gè)中心配電室電源回路來(lái)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(guò)12 000 kW，如共用線路回路滿足故障運(yùn)行方式下的高峰小時(shí)運(yùn)量，對(duì)共用線路容量占用較大。各變電所母線處電壓降計(jì)算如表5所示。

表5 各變電所母線處電壓降計(jì)算

由軟件短路計(jì)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(shí)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(yǔ)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(jí)電容有軌電車的牽引計(jì)算軟件。該軟件具有牽引計(jì)算、計(jì)算超級(jí)電容儲(chǔ)存能量、計(jì)算超級(jí)電容續(xù)航能力，以及根據(jù)線路對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行配置的功能。對(duì)江蘇淮安超級(jí)電容有軌電車項(xiàng)目進(jìn)行了全線仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果較為精確，對(duì)于未來(lái)的超級(jí)電容有軌電車項(xiàng)目建設(shè)，具有良好的工程應(yīng)用和參考價(jià)值。

［1］ 劉友梅.儲(chǔ)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(jì)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(yùn)行過(guò)程優(yōu)化及牽引供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真［D］.成都:西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)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(xué)報(bào)，2004，16（9）：1944.

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

［6］ 朱波，樸學(xué)松，楊建宇.超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在軌道車輛的應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車車輛，2014，34（2）：74.

［7］ 陽(yáng)濤，伍道樂(lè)，陳鐵柱，等.基于軌道交通應(yīng)用的超級(jí)電容性能測(cè)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(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015BAG19B02）；上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院資助項(xiàng)目

2016-02-25）