超级电容有轨电车的牵引供电系统仿真计算软件开发与应用*

张明锐 张海龙 唐贾言 钟建辉

（1．同济大学电子与信息工程学院，201804，上海；2.上海市城市建设设计研究总院，200125，上海∥第一作者，教授）

超级电容有轨电车的牵引供电系统仿真计算软件开发与应用*

张明锐1张海龙1唐贾言2钟建辉2

（1．同济大学电子与信息工程学院，201804，上海；2.上海市城市建设设计研究总院，200125，上海∥第一作者，教授）

以列车动力学模型为基础，通过对超级电容有轨电车供电关键技术、超级电容充放电特性以及车辆牵引特性的研究，设计开发了适用于超级电容有轨电车的牵引供电仿真计算软件。根据用户需求，可得到车辆在各类型运营条件下的牵引计算数据，包括各区间的走行距离、走行时间、平均速度、牵引能耗等信息。利用线路各区间能耗数据，在满足工程裕度的情况下，可对车载超级电容容量进行配置，也可通过已配置好的超级电容参数，计算出列车在工程线路上的续航能力。以江苏淮安超级电容有轨电车项目为例进行全线仿真计算，测试结果显示系统计算精度较高，具有较好的工程应用价值。

有轨电车；超级电容；牵引供电系统；续航能力

超级电容有轨电车，以超级电容器作为动力储存装置，全线架设地面或架空供电系统，仅利用停站时间即可完成充电，能量回馈率达到85%，具有大容量、高功率比、高能量比等高性能指标［1］。由于无接触网，大大改善了沿线道路尤其是交叉路口的城市景观。随着超级电容器性价比的提高，超级电容有轨电车发展迅猛。

目前，针对于有接触网（接触轨）的牵引供电计算软件已经较为成熟，已广泛应用于地铁牵引供电设计中。而在有轨电车的牵引供电计算中，也普遍采用的是针对接触网和地面供电系统的地铁的牵引计算软件。超级电容有轨电车，其容量远远大于蓄电池有轨电车和超级电容公交车；其供电的短时冲击特性，远远大于接触网和地面供电有轨电车；其配电容量，远远高于一般有轨电车。因此，其牵引供电的关键技术，亦与地铁、公交的无轨电车和接触网有轨电车有所不同。目前，鲜有针对超级电容有轨电车的牵引供电计算软件。超级电容有轨电车牵引供电系统仿真计算软件，不仅可以提高工程设计效率，还可以模拟工程实际运营的一些复杂工况，是现代有轨电车供电设计的重要技术手段。

1 超级电容有轨电车牵引供电系统

1.1 总体方案

外部电源供电方式可分为集中式、分散式和混合式3种供电方式。集中式与分散式供电方案的比较见表1。

表1 集中式与分散式供电方案比较

半集中供电方案介乎于集中供电和分散供电之间，没有建设主变电所的问题，也不必引入较多的外部电源。通过以上分析，在城市供电网络条件较为完备的情形下，半集中供电方式整体技术经济指标优于集中式供电方式和分散式供电方式。而且半集中供电方案也可以弥补分散供电的不足，在满足供电负荷需求的同时，可以充分发挥分散供电方式的负荷力矩特点。

江苏淮安有轨电车全线设置4座10 kV中心配电室、每座10 kV中心配电室从城市电网引入2路独立电源，通过自建10 kV中压网络向全线的牵引变电所和降压变电所供电。中压网络采用单环网接线方式。

牵引供电系统由主降压变电所、直流牵引变电所、馈电线、站台充电机、充电轨、走行轨及回流线等组成。由城市电网引来10 kV电源，通过建设10 kV中心配电室，将电源分配给有轨电车供电系统使用。经牵引变电所降压整流后输出直流1 500 V，通过站台充电机斩波输出900 V供给充电轨。列车进站后，站台的充电设备对列车充电，即通过车顶的受电器与充电架（接触轨）接触，向列车上的车载超级电容器充电。充电示意图如图1所示。

图1 站台充电机供电系统

1.2 车载超级电容容量的配置

超级电容有轨电车在运行过程中，全线无接触网，仅由列车车载超级电容为列车提供所需的电能。因此，列车输入的能量为：

式中：

Wi——列车输入的能量；

t——运行时间；

u（t）——某一时刻车载超级电容的瞬时电压；

i+（t）——某一时刻车载超级电容的正向电流。

即列车输入的能量等于超级电容的瞬时电压与正向电流乘积的积分。

当列车处于再生制动工况时，列车向车载超级电容反馈的能量为：

式中：

Wf——列车向车载超级电容反馈的能量；

t1——列车再生制动开始时刻；

t2——列车再生制动结束时刻；

i-（t）——某一时刻车载超级电容的负向电流。

因此，列车在一个区间内运行所需的能量为：

式中：

Wh——列车在一个区间内运行所需的能量。

对线路全线进行牵引仿真计算，从中选出能耗最大的区间，在配置超级电容时，超级电容可释放的能量应大于该区间内列车的能耗，使得列车能够安全通过这一无电区间。

车载超级电容所能释放的总能量需大于列车所需的能量：

式中：

Cz——列车车载超级电容的总容量；

umax——列车车载超级电容最高工作电压；

umin——列车车载超级电容最低工作电压。

超级电容的总容量为：

1.3 车载超级电容的续航能力

由于超级电容有轨电车的供电技术较为特殊，除站点有充电设备外，列车在运行时所需的电能全部由超级电容所提供，列车车载超级电容的能量需满足列车能够驶过工程线路中最大的无电区间，因此需计算超级电容的续航能力，以保证线路运行的可靠性。可根据公式（6）计算出超级电容可释放的能量，在牵引计算过程中，能量达到超级电容可释放的最大能量时，计算出此时已走过的距离。

超级电容可释放的最大能量计算公式为：

式中：

E——超级电容可释放的最大能量。

牵引计算能耗计算公式为：

式中：

Et——牵引计算能耗；

t3——列车起动时刻；

t4——列车制动结束时刻；

U——列车车载超级电容放电电压；

I——列车车载超级电容放电电流。

考虑工程余量，则E≥ Et，当E=Et时，计算已走过的距离，此时为列车在充满一次电后的最大走行距离，即超级电容的续航能力。计算流程如图2所示。

2 软件开发

2.1 系统组成

图2 软件计算流程图

系统以Visual Studio 2008为开发环境，结合SQL Server 2005数据库软件，利用ADO技术实现两者间数据的交互操作，选用C#作为编程语言。系统由用户层和数据库层组成，具备对超级电容有轨电车的牵引计算和供电计算的功能。软件结构如图3所示。

2.2 算法实现

整个工程是一个多区间解算过程，如图3所示，通过制动反算和牵引正算得到单区间计算结果，即模拟一辆列车设定了速度后，在线路上的运行情况，包括牵引、惰行、匀速、制动等运行状态。通过判断是否为到站充电进行牵引计算，如果为到站充电，可计算出列车在每个区间运行后车载超级电容的剩余电量。如果站间不停站，可计算出超级电容充满一次电后的续航里程。

图3 软件结构图

3 算例仿真

3.1 仿真参数

3.1.1 车辆参数

车辆参数如表2所示。

3.1.2 车辆牵引特性

正常运行模式AW3（超员载荷）工况下车辆牵引/制动特性,如图4所示。图中，速度26.5 km/h处为恒功率起始点，最大牵引力96 kN；速度55 km/h处为自然特性起始点；AW3时最大电制动力为102 kN，57 km/h处为自然特性点。

3.1.3 超级电容参数

超级电容参数见表3。

3.2 仿真计算结果

3.2.1 牵引计算统计分析

上行列车牵引计算统计结果见表4。

表2 车辆参数

表3 超级电容参数

图4 牵引/制动特性图

3.2.2 供电计算结果

武汉汉阳超级电容有轨电车工程线路中最大的无电区间为1 288 m，在列车最大速度为60 km/h时以最大牵引力牵引，以最大制动力制动的工况下，充满一次电后，列车可行驶1 899 m，可安全通过最大无电区间。为了运行安全可靠，需在每站设立充电装置，列车需在每站进行充电，以保证运行的可靠性。列车在各区间运行后的SOE（能量状态）见图5。

表4 上行列车牵引计算统计结果（近期）

正线变电所选用2台1 250 kV·A的整流变压器，满足在同一供电区段内4台列车同时充电的容量需求。

若按照恒流1 800 A充电，充电最高电压为900 V，峰值功率为1 620 kW，为降低充电峰值功率叠加对电网造成过大波动的影响，经过计算验证，充电峰值功率可由原1 620 kW降低到1 500 kW，充电曲线见图6。

图5 SOE与区间关系图

图6 改进充电曲线

充电过程：

（1）恒流充电阶段

储能电源恒流阶段以1 800 A进行充电（电流上升时间可调节），储能电源电压从0一直上升，直至车载储能电源上的电压达到820 V。

（2）恒功率充电阶段

当储能电源的电压达到820 V时，充电柜装置开始恒功率1 500 kW对车载储能电源充电，此阶段一直持续到储能电源的电压达到900 V。

（3）恒压充电阶段

当储能电源的电压达到900 V后，充电柜装置开始恒压900 V对储能电源充电，此阶段一直持续到储能电源的充电电流为0。

各变电所母线处的电压损失以为其提供电源的中心配电室母线电压为相对基准零点。故障运行方式下，考虑到行车组织中15对/h的高峰时间全日仅有2 h，其余运营时间内，行车间隔最高为12对/h，多数为10对/h，因此，在故障运行方式下，如满足高峰小时运量，中压网络投资增加较大，综合技术经济指标较差。此外，2个中心配电室电源回路来自城市电网共用线路，10 kV城市电网电源回路容量不超过12 000 kW，如共用线路回路满足故障运行方式下的高峰小时运量，对共用线路容量占用较大。各变电所母线处电压降计算如表5所示。

表5 各变电所母线处电压降计算

由软件短路计算模块可得出三相稳态短路电流最大值发生在中心配电室处，此时短路电流为7.54 kA。三相稳态短路电流最小值发生在线路末端牵引变电所，为A3变电所，距离中心配电室3.970 km，短路电流值为3.5 kA。

4 结论

本系统以C#为开发语言，Microsoft Visual Studio 2008和SQL Server 2005为开发环境，开发了一套适用于超级电容有轨电车的牵引计算软件。该软件具有牵引计算、计算超级电容储存能量、计算超级电容续航能力，以及根据线路对超级电容进行配置的功能。对江苏淮安超级电容有轨电车项目进行了全线仿真计算，计算结果较为精确，对于未来的超级电容有轨电车项目建设，具有良好的工程应用和参考价值。

［1］ 刘友梅.储能式轻轨车——通向节能、环保和智能化［J］.城市轨道交通研究，2012（10）：16.

［2］ 周曙，陈建君.地铁与轻轨的供电仿真计算算法分析［J］.电气化铁道，2001（4）：23.

［3］ 刘炜．城市轨道交通列车运行过程优化及牵引供电系统动态仿真［D］.成都:西南交通大学电气工程学院，2009.

［4］ 刘海东，何天健，袁振洲，等.城市轨道交通直流牵引供电仿真系统的研究［J］.系统仿真学报，2004，16（9）：1944.

［5］ 胡斌，杨中平，林飞，等.城市轨道交通用超级电容器组等效电路模型研究［J］.机车电传动，2013（5）：65.

［6］ 朱波，朴学松，杨建宇.超级电容储能系统在轨道车辆的应用［J］.铁道机车车辆，2014，34（2）：74.

［7］ 阳涛，伍道乐，陈铁柱，等.基于轨道交通应用的超级电容性能测试研究［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

*国家科技支撑计划资助项目（2015BAG19B02）；上海市城市建设设计研究总院资助项目

2016-02-25）