城市軌道交通再生能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真研究*

肖梓林

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043)

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，行車難、乘車難的問(wèn)題，不僅成為影響市民出行的主要因素，還制約著城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。針對(duì)這一現(xiàn)象，各國(guó)加速了立體化軌道交通的建設(shè)速度，用來(lái)解決日益嚴(yán)重的城市交通問(wèn)題。常見(jiàn)的城市軌道交通工具有地鐵、輕軌、有軌電車及磁懸浮列車等，此類交通工具的使用為人們的生活提供了大量的便利條件，同時(shí)也帶來(lái)了相應(yīng)的能量問(wèn)題。隨著復(fù)合能量技術(shù)的不斷發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用范圍逐步增加。將復(fù)合能量技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通工具已成為解決能量問(wèn)題的主要手段。為有效控制優(yōu)化后的直流牽引供電系統(tǒng)，常采用系統(tǒng)仿真的形式獲取系統(tǒng)的使用性能。但傳統(tǒng)的直流牽引供電系統(tǒng)潮流分布仿真方法[2]對(duì)于儲(chǔ)能單元的仿真效果較差，因而本文提出城市軌道交通再生能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真方法。在此方法設(shè)計(jì)完成后，將設(shè)定應(yīng)用測(cè)試環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果展開(kāi)相應(yīng)的測(cè)試，以保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。

2 城市軌道交通再生能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真

針對(duì)原有直流牽引供電系統(tǒng)仿真過(guò)程中，對(duì)儲(chǔ)能單元仿真效果不佳，造成直流牽引供電系統(tǒng)仿真效果較差的問(wèn)題，此次仿真方法設(shè)計(jì)中，將設(shè)定單獨(dú)的儲(chǔ)能單元仿真環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真目標(biāo)。具體仿真架構(gòu)如圖1 所示。通過(guò)圖1 所示的架構(gòu)，完成系統(tǒng)仿真過(guò)程。此次仿真過(guò)程涉及大量的運(yùn)算，為提升仿真結(jié)果的可靠性，將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一保留小數(shù)點(diǎn)后兩位。

圖1 直流牽引供電系統(tǒng)仿真架構(gòu)

2.1 構(gòu)建儲(chǔ)能單元仿真分析

為保證交通再生能量利用的有效性，在車輛中增加儲(chǔ)能單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛中可再生能量的控制。在此次研究中，將儲(chǔ)能單元設(shè)定為超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備，此設(shè)備具有三種模式，即充電模式、放電模式以及待機(jī)模式[3-4]，僅對(duì)其放電與充電模式進(jìn)行仿真分析。

當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，車輛再生制動(dòng)能量上傳至車輛的牽引網(wǎng)上，引起牽引網(wǎng)網(wǎng)壓抬升，儲(chǔ)能單元檢測(cè)到起動(dòng)電壓低于牽引網(wǎng)電壓，且車輛機(jī)組無(wú)輸入電壓，儲(chǔ)能單元呈充電模式。同理可知，當(dāng)車輛牽引時(shí)，車輛從牽引網(wǎng)中獲取電力資源，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓下降，儲(chǔ)能單元檢測(cè)到放電電壓高于牽引網(wǎng)電壓，且車輛機(jī)組有輸出電壓，儲(chǔ)能單元處于放電模式。雙向DC/DC 變換器充電與放電工作模式如圖2 所示。

圖2 雙向DC/DC 變換器充電與放電工作模式

圖2 中，圖2a、圖2b 為雙向DC/DC 變換器充電工作模式，圖2c、圖2d 為雙向DC/DC 變換器放電工作模式。根據(jù)Buck 工作模式原理[5]，當(dāng)充電時(shí)，IGBT1 工作，電流流向儲(chǔ)能單元，在t＜ton時(shí)段IGBT1開(kāi)始充電，ton≤t時(shí)段IGBT1 充電完成，二極管續(xù)流。當(dāng)放電時(shí)，IGBT2 工作，電流由儲(chǔ)能單元流向直流側(cè)，在t＜ton時(shí)段IGBT2 導(dǎo)通，電容L有電流生成，ton≤t時(shí)段IGBT2 電流生成結(jié)束，二極管續(xù)流，電流流向直流側(cè)。儲(chǔ)能單元的仿真重點(diǎn)在于雙向DC/DC 變換器的控制過(guò)程，此系統(tǒng)中的控制策略主要采用電流電壓雙閉環(huán)控制，提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，有效保證儲(chǔ)能單元的正常使用，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 車輛直流牽引計(jì)算

為獲取在行進(jìn)過(guò)程中，不同時(shí)刻、不同地點(diǎn)車輛的去留信息，需要展開(kāi)相應(yīng)的車輛直流牽引計(jì)算。通過(guò)對(duì)車輛的信息模塊、路線管理模塊以及控制模塊的模擬，可對(duì)單一車輛在指定線路中的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，包括時(shí)間、速度、位置、取流情況等信息[6-7]。在計(jì)算的過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：首先，在行進(jìn)線路的研究中，由于站點(diǎn)之間的距離較短，在計(jì)算時(shí)務(wù)必注意精確度；其次，路線中如途經(jīng)大型建筑物，則剔除建筑物的影響；最后，牽引的計(jì)算結(jié)果將作為直流牽引供電系統(tǒng)仿真中的計(jì)算基礎(chǔ)。為提升此次設(shè)計(jì)中車輛直流牽引計(jì)算的有效性，設(shè)定牽引網(wǎng)等效模型如圖3 所示。

圖3 牽引網(wǎng)等效模型

根據(jù)牽引網(wǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在等效模型中，設(shè)定上行與下行兩組支路，并對(duì)支路中的電阻進(jìn)行控制。通過(guò)上述牽引網(wǎng)等效模型展開(kāi)車輛直流牽引計(jì)算。已知車輛在運(yùn)行狀態(tài)中可分為三種狀態(tài)，分別為牽引運(yùn)行、惰行以及制動(dòng)運(yùn)行[8-9]。根據(jù)以上三種狀態(tài)，將車輛的單位合力表示為

式中，a1為牽引運(yùn)行合力；a2為惰行合力；a3為制動(dòng)運(yùn)行合力。其中，a為單位合力；e為單位牽引力；re為單位阻力；d為行駛距離。將此式與原有仿真方法中的直流牽引計(jì)算公式相結(jié)合，并設(shè)定相應(yīng)速度內(nèi)的牽引力與阻力為恒定數(shù)值，采用車輛的速度變化計(jì)算車輛的運(yùn)行時(shí)間與距離[10-12]。將上述公式與原有計(jì)算公式相結(jié)合，可得出車輛的合力做功的表達(dá)式為

式中，g為車輛行駛中的合力；v為行駛速度；s為行駛中的變量參數(shù)；t為行駛時(shí)間。通過(guò)此公式可得出車輛行駛速度與行駛距離，計(jì)算式為

式中，vi+1、di1+分別表示車輛在行駛至第i+1 個(gè)路段時(shí)，車輛的實(shí)時(shí)速度與行駛距離；vi、di分別表示車輛在行駛至第i個(gè)路段時(shí)，車輛的行駛速度與行駛距離；l表示積分計(jì)算設(shè)定步長(zhǎng)[13-15]。通過(guò)此公式對(duì)車輛直流牽引力展開(kāi)計(jì)算，并保證計(jì)算精度與計(jì)算速度，則車輛直流牽引力的計(jì)算式為

2.3 直流牽引供電系統(tǒng)仿真算法

設(shè)計(jì)直流牽引供電系統(tǒng)仿真算法，此次算法設(shè)計(jì)建立在直流牽引供電系統(tǒng)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)定供電系統(tǒng)分析流程如圖4 所示。

圖4 供電系統(tǒng)分析流程圖

通過(guò)圖4 流程，獲取供電系統(tǒng)分析結(jié)果，并采用其此次研究所需的仿真算法。將此供電系統(tǒng)直流化處理后，構(gòu)建系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣K，并確定構(gòu)建的矩陣具有稀疏性，通過(guò)此設(shè)定提高文中設(shè)計(jì)方法的計(jì)算速度。

直流牽引供電系統(tǒng)中采用電氣潮流計(jì)算中的節(jié)點(diǎn)電壓法，結(jié)合高斯消去法獲取系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓，具體公式如下

式中，U為系統(tǒng)電壓；I為系統(tǒng)電流。直流牽引供電系統(tǒng)仿真通過(guò)設(shè)定戴維南電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)等效處理。將此公式結(jié)合原有仿真方法中的系統(tǒng)仿真算法，即可得出直流牽引供電系統(tǒng)中的有效電流及平均功率，具體公式如下

式中，I為有效電流；P為平均電壓；T為運(yùn)行周期；t為運(yùn)行時(shí)間；u為運(yùn)行電壓；i為運(yùn)行電流。

將上述設(shè)計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)仿真方法相結(jié)合，以此完成供電系統(tǒng)仿真工作。至此，城市軌道交通再生能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真方法設(shè)計(jì)完成。

3 仿真方法應(yīng)用分析

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，完成城市軌道交通再生能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真過(guò)程，為保證文中設(shè)計(jì)的仿真過(guò)程具有科學(xué)性，構(gòu)建仿真方法應(yīng)用環(huán)節(jié)展開(kāi)分析。

3.1 測(cè)試設(shè)定

在此次測(cè)試中，采用文中設(shè)計(jì)的城市軌道交通再生能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真方法和文獻(xiàn)[2]直流牽引供電系統(tǒng)潮流分布仿真方法與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比的形式，獲取文中設(shè)計(jì)方法的仿真效果。為保證測(cè)試過(guò)程的有效性，設(shè)定車輛行駛城市的某條線路，并對(duì)此次行程過(guò)程展開(kāi)仿真分析。

此次測(cè)試中的行駛線路以西安市地鐵8 號(hào)線為研究對(duì)象。如圖5 所示，西安市地鐵8 號(hào)線為環(huán)路，與其他線路具有部分共線，共設(shè)37 座車站，其中換乘站18 座，最大站間距2 529 m，全長(zhǎng)約49.896 km，在此線路中途經(jīng)4 座牽引變電站，2 個(gè)停車場(chǎng)，最高車速80 km/h。采用城市軌道交通再生能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真方法(本文方法)與直流牽引供電系統(tǒng)潮流分布仿真方法(文獻(xiàn)[2]方法)對(duì)此車輛系統(tǒng)展開(kāi)仿真，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為保證實(shí)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度，設(shè)定測(cè)量設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1 所示。采用表1 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而獲取仿真方法的使用效果。

圖5 西安市地鐵8 號(hào)線運(yùn)行圖

表1 測(cè)量設(shè)備技術(shù)參數(shù)

3.2 測(cè)試指標(biāo)

在此次測(cè)試中，將測(cè)試指標(biāo)設(shè)定為電流動(dòng)態(tài)分布與再生能量回饋兩方面。通過(guò)這兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)仿真方法的仿真效果展開(kāi)分析。在系統(tǒng)仿真過(guò)程中，具有多種數(shù)據(jù)指標(biāo)，但通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，此兩種指標(biāo)具有表征性，因而選用上述兩種指標(biāo)完成測(cè)試。

3.3 電流動(dòng)態(tài)分布測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以往研究可知，電流變化圖像呈動(dòng)態(tài)形式，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證仿真方法的仿真精度。通過(guò)圖6 可知，文中設(shè)計(jì)方法的車輛電流走向與實(shí)際的車輛電流走向一致，且波動(dòng)的峰值大致相同，僅在波動(dòng)的波谷區(qū)域出現(xiàn)較小的誤差；而傳統(tǒng)方法的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大。由此可知，文中設(shè)計(jì)方法使用效果較好，傳統(tǒng)方法的使用效果較差。

圖6 動(dòng)態(tài)分布測(cè)試結(jié)果

3.4 再生能量回饋測(cè)試結(jié)果

通過(guò)圖7 試驗(yàn)結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)方法的回饋能量依次為370 kW·h、300 kW·h、390 kW·h、360 kW·h 和440 kW·h，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的回饋能量依次為300 kW·h、370 kW·h、470 kW·h、270 kW·h 和470 kW·h，而實(shí)際測(cè)試的回饋能量依次為350 kW·h、300 kW·h、440 kW·h、350 kW·h和430 kW·h。通過(guò)對(duì)比可知，文中設(shè)計(jì)方法的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，傳統(tǒng)仿真方法與實(shí)測(cè)結(jié)果差異較大，說(shuō)明文中設(shè)計(jì)方法對(duì)于車輛能量的仿真精度高于傳統(tǒng)方法的仿真精度，可有效提升能量仿真效果。將此測(cè)試結(jié)果與電流動(dòng)態(tài)分布測(cè)試結(jié)果相結(jié)合可知，文中設(shè)計(jì)方法使用效果更好。

圖7 再生能量回饋測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

在此次研究中設(shè)計(jì)了城市軌道交通再生能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真方法，并取得了一定的研究結(jié)果。

(1) 文中設(shè)計(jì)方法的車輛電流走向與實(shí)際的車輛電流走向一致，且波動(dòng)的峰值大致相同，僅在波動(dòng)的波谷區(qū)域出現(xiàn)較小的誤差，使用效果較好。

(2) 文中設(shè)計(jì)方法的回饋能量的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，即車輛能量的仿真精度高于傳統(tǒng)方法的仿真精度，可有效提升能量仿真效果。

(3) 該方法易于實(shí)施，可準(zhǔn)確、綜合地把握牽引網(wǎng)網(wǎng)壓、供電系統(tǒng)負(fù)荷等的概率統(tǒng)計(jì)特征。這些信息對(duì)于城軌牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、校驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)極具參考價(jià)值。

(4) 城市軌道交通再生能量利用的直流牽引供電系統(tǒng)仿真是一項(xiàng)較為復(fù)雜的課題，限于時(shí)間與技術(shù)上的不足，此次研究結(jié)果還具有一些需要改進(jìn)的地方：首先，在行駛的過(guò)程中，不但要對(duì)自身的節(jié)能狀態(tài)進(jìn)行控制，還需要計(jì)算環(huán)境中的影響，以此提升仿真效果；其次，在計(jì)算的過(guò)程中，注重電壓與電流的動(dòng)態(tài)性，保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。