现代有轨电车运行仿真系统的开发与应用

王　栋，刘　炜，李群湛，李鲲鹏

(1.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2.广州地铁设计研究院有限公司，广东广州510000)

现代有轨电车运行仿真系统的开发与应用

王栋1，刘炜1，李群湛1，李鲲鹏2

(1.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2.广州地铁设计研究院有限公司，广东广州510000)

在深入分析超级电容储能式现代有轨电车车辆牵引特性和供电系统结构特性的基础上，建立了储能式现代有轨电车能量传输模型和超级电容器组充放电效率模型。利用VC++软件开发了现代有轨电车牵引运行及其供电仿真分析软件。结合广州海珠区环岛新型有轨电车工程，实例计算验证了该仿真系统的合理性。该系统可为车辆选型和供电系统设计提供重要的参考依据。

超级电容；现代有轨电车；仿真系统

经过全面技术改造的现代有轨电车，已经不同于传统的有轨电车，更凸显其节能，舒适度高和经济环保的特点，越来越受到人们的关注[1-2]。在广州海珠区，即将投入运行的环岛新型有轨电车使用了以超级电容为储能装置的现代有轨电车，在运行过程中完全脱离接触网，停站时充电。目前，国内外现代有轨电车运行仿真设计软件很少，本文针对超级电容储能式现代有轨电车，在深入分析其牵引特性和供电系统结构的基础上，利用VC++开发了现代有轨电车牵引运行和供电仿真分析设计软件。该软件对现代有轨电车系统设计，尤其是在车辆选型和供电系统结构设计方面有重要的指导意义。

1　仿真系统主要模型介绍

1.1列车能量传输模型

以超级电容为储能装置的现代有轨电车，在充电站，列车通过充电站给车载超级电容器组充电。列车在站间运行过程中由储能装置实现无接触网供电。牵引过程中，超级电容器组输出直流电压，经DC/DC变换后再经逆变器驱动牵引电机，由牵引电机带动传动齿轮使列车前进；在再生制动过程中，能量传输刚好相反，将列车再生制动的机械能转换成电能向超级电容器组充电；在惰行过程中，超级电容器组输出的能量仅用于列车的辅助用电[3]。列车能量传输过程如图1所示。

图1　现代有轨电车能量传输模型

现代有轨电车在牵引过程中，储能装置的容量和机械功率的关系如式(1)所示：

式中：E为储能设备总能量；ηsc为超级电容器组放电效率；ηdcdc为DC/DC变换器效率；ηinv为逆变器效率；ηmech为齿轮比效率；ηem为电机效率；F为列车受到的牵引力；V为列车运行的速度。

列车在制动过程中，再生制动的能量和机械功率满足：

式中：E'为再生制动能量；η'sc为超级电容器组充电效率。

列车在惰行过程中，储能装置仅用于辅助供电，其消耗的电能为：

式中：Ef为辅助用电耗电量；Pf为列车辅助用电功率；t为辅助用电时间。

1.2超级电容器组充放电效率模型

在现代有轨电车能量传输模型中，ηdcdc、ηinv、ηmech、ηem几乎为固定值[4]，而ηsc受列车运行工况变化的影响。作为列车唯一的能量来源，超级电容器组储能装置的充放电效率对计算储能设备的SoC和列车运行过程中的能耗显得十分关键。

超级电容器组的等效模型如图2(a)所示。其中RP为等效并联电阻，C为理想电容，RS为等效串联内阻。RS反映了超级电容器组在充放电过程中会产生热量，同时由于电阻有电压降落，会产生电压纹波。而RP反应了超级电容漏电特性，一般只对长期储能有影响[5-6]。因此在实际应用中，图2(a)常简化成只有C和RS的串联形式，如图2(b)所示。

图2　超级电容器组等效模型

现代有轨电车在运行过程中，超级电容器组等效电路模型以及输出端电压关系如图2(b)所示。图中，U1为等效超级电容端电压，U2为串联电阻端电压，U为储能装置对外输出电压。

在牵引和惰行过程中，任意时刻的电压关系为：

能量关系为：

式中：ΔE1为超级电容释放的能量；ΔE2为在电阻上消耗的能量；ΔE为超级电容储能设备对外输出的能量(即外界消耗的能量)。

计算机在仿真计算时，在每个很短的仿真时间单元Δt内，认为流过超级电容上的电流是恒定的，则I=C×ΔU/Δt，即可以用单位时间内超级电容电压的变化来表示流过串联电阻上的电流大小。设每个时间单元仿真计算之前，超级电容的电压为U1(即超级电容电压当前状态)，每个时间单元仿真计算之后，超级电容电压为U'1，则在每个仿真时间单元中，式(5)可以改写为：

从而计算出列车牵引和惰行过程中，超级电容器组在每个仿真时间单元下的放电效率为：

在制动的过程中，任意时刻的电压关系为：能量关系为：

式中：ΔE'1为超级电容吸收的能量；ΔE'2为在电阻上消耗的能量；ΔE'为外界向超级电容储能设备输入的能量。与放电过程的计算类似，同理可以求出：

则列车制动充电过程中，超级电容器组在每个仿真单元下的充电效率为：

1.3供电计算模型

超级电容储能式现代有轨电车供电系统，一般在全线车站位置设置有充电站，分别向上、下行停站的车辆充电，如图3所示。

图3　现代有轨电车供电系统

由于超级电容在充电过程中使用大电流，且列车频繁进站充电，负荷波动较大，因此有必要对充电站交流侧电网电压及功率进行仿真计算，这对于供电系统结构的设计十分重要。潮流计算是对电力系统的功率分布和电压分布的计算。仿真系统中采用牛顿拉夫逊法进行求解。

2　仿真系统的实现

现代有轨电车运行及其牵引供电仿真分析软件，以下简称TOAPS系统。TOAPS是利用VC++工具在Windows平台下开发完成，目标是建立一个从超级电容储能式有轨电车牵引计算到供电仿真的完整体系。对于超级电容储能式现代有轨电车，其车辆的续航能力和储能装置在充电过程中给电网造成的影响[7]是现代有轨电车运行系统最关心的问题，这也是TOAPS系统主要的研究对象。该系统主要由牵引计算模块和供电仿真模块构成。

在牵引计算模块中，用户可以对现代有轨电车的车辆参数进行设置，如车长、车重、储能装置容量、牵引、制动特性曲线等。也可对运行线路进行编辑，包括车站、路口、限速等信息。列车在仿真过程中，如速度、位置、储能装置SoC、储能设备端电压、能耗等信息均可时时显示。仿真结束后可以保存相应的仿真结果，该结果可以以TXT文本报表，Word报表或者CAD报表的形式输出。

在供电仿真模块中，TOAPS提供了图形化操作功能，用户可以很方便地搭建供电系统网络结构并设置相应的元件参数。由于供电仿真是模拟多列车运行情况，因此在仿真前需要设置运行图信息。超级电容储能式现代有轨电车装有大功率的逆变器，作为谐波源，它在充电过程中会向充电站交流侧注入谐波。为了评估谐波对电网的影响，TOAPS提供了谐波估算的功能。供电仿真的结果数据可以调用相应窗口时时显示，仿真结束后可以将结果保存，方便下次查看。该结果同样可以TXT文本报表或者Word报表的形式输出。图4给出了TOAPS系统的模块结构。

图4　TOAPS系统软件模块结构

3　TOAPS系统应用实例

以广州海珠区环岛新型有轨电车试验段工程为例，对超级电容储能式现代有轨电车进行牵引计算和供电仿真。

3.1车辆参数

现代有轨电车车辆参数如表1所示。

表1　现代有轨电车车辆参数

3.2线路参数

仿真线路为广州海珠区环岛新型有轨电车试验段部分线路。线路起始于万胜围，终止于会展西。线路坡道信息和曲线信息分别如表2和表3所示。沿线车站及停车设置如表4所示。

表2　线路坡道信息

表3　线路曲线信息

表4　车站及停车信息

3.3供电仿真参数

系统标称电压为DC750 V，供电系统采用10 kV市电进线，环网电缆采用150mm规格的导线。充电站动力变压器容量均为100 kVA，整流变压器容量为800 kVA，充电站动力负荷功率因素为0.85，充电站充电功率因素为0.95。

3.4牵引计算仿真结果

在超级电容储能式现代有轨电车的牵引计算中，储能设备的SoC(State of Charge)、列车的速度、能耗及储能装置端电压是反应现代有轨电车运行状况的重要指标，其随位置变化的关系如图5所示。

图5　SoC、速度、能耗及储能设备端电压随位置变化曲线

超级电容器组储能装置是列车唯一的能量来源，其剩余能量的多少直接反映了列车的牵引能力。超级电容的能量利用率高达90%以上[8-9]，即SoC可以到0.3甚至更低。但实际运行中，为了保护超级电容，下限安全值一般为0.3[10]。从图5可以看出，列车除在第一个常区间SoC最低达到0.3，其余位置均保持在0.4以上，这反应了储能设备具有足够的能量供列车牵引使用。列车在整个运行过程中牵引能耗占总能耗的82.57%。在制动时，列车将机械能转换成电能为储能设备充电。列车的空调、照明等辅助用电能耗占牵引总能耗的17.43%。列车在停站30 s的时间内，采用1 700 A的充电电流，可以保证将列车储能设备充至满电压从而为列车在下一个区间的行驶提供足够的能量。

3.5供电仿真结果

在供电仿真计算中需要有轨电车上下行线路的牵引计算结果，采用远期每小时17对的发车密度并由此生成列车运行图，如图6所示。

图6　列车运行图

在多列车运行仿真过程中，各充电站电压、功率和PCC点功率随时间变化的曲线如图7所示。

图7　充电站电压、功率及PCC点功率随时间变化曲线

充电站平均功率为221.938 kW，PCC点平均功率为1 260.596 kW。列车仅在充电时刻会对电网电压造成波动，最大电压偏差为1.899%。电压PCC点处谐波即畸变率为0.222%，均未超过国标限值。

4　结束语

现代有轨电车运行系统的建模与仿真越来越受到人们的关注。应用计算机仿真技术，不仅可以对现代有轨电车在运行中可能出现的问题进行预估，还能为车辆选型和供电系统结构的设计给出指导意义。TOAPS软件凭借其全图形化用户界面、丰富的仿真库资源和强大的二次开发功能，必将在超级电容储能式现代有轨电车领域得到广泛的应用。

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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

王栋(1990—)，男，江苏省人，硕士研究生，主要研究方向为城市轨道交通牵引计算和供电仿真、现代有轨电车运行仿真系统开发。