CN106610592A - 一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台 - Google Patents

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梁海泉
韦莉
胡景泰
王之琪
陈宇飞
吴婷
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

Abstract

本发明涉及一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，包括直流电网(1)、城轨车辆电气模型(2)、储能系统模型(3)和城轨车辆动力模型(4)，所述的城轨车辆电气模型(2)连接直流电网(1)，所述的城轨车辆电气模型(2)和储能系统模型(3)均为真实的电气拓扑结构并相互连接，所述的城轨车辆动力模型(4)连接至城轨车辆电气模型(2)，并根据列车的不同运行模式提供相应的运行动力驱动车辆运行。与现有技术相比，本发明具有仿真平台精确性高、仿真结果可信度高等优点。

Description

一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台
技术领域
本发明涉及一种储能式城轨车辆仿真平台，尤其是涉及一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台。
背景技术
储能式城轨车辆是一个机电混合的复杂大系统，它的实际运行工况十分复杂。对储能系统以及城轨车辆模型，一些采用简单模型等效的方法不能准确反映系统真实工况，这将直接影响后续对系统节能与安全性综合评价的工作的结果准确性。
建立储能系统模型来表征其电能存储能力与充放电效率需要考虑多因素的影响，现在多数模型考虑的实际因素和工况不够完全。储能器件参数受温度、充放电电流、端电压变化以及寿命衰减等因素的影响，在实际使用中的容量和内阻是不断变化的。
现有城轨车辆模型多数不足以反映系统的真实电气拓扑。城轨车辆电气系统包括多种电气设备构成。城轨车辆在起动、惰行、制动过程中，各用电设备之间、用电设备与接触网之间存在着复杂的交互关系。此外，车载大功率电力电子设备的使用也会给列车电气系统造成一定量的谐波成分，这将影响对系统的稳定性以及储能系统的控制策略。
储能系统模型和城轨车辆模型整合之后需要在模型的精确性和仿真速度制之间进行优化，再运用于对系统节能与安全性综合评价的工作。在仿真软件的后台处理过程中，越是精确的模型，所对应数学方程的复杂程度就越高、计算节点数也越多，会造成仿真速度极低，甚至可能造成仿真结果无法收敛，可信度降低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高精度的储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，包括直流电网、城轨车辆电气模型、储能系统模型和城轨车辆动力模型，所述的城轨车辆电气模型连接直流电网，所述的城轨车辆电气模型和储能系统模型均为真实的电气拓扑结构并相互连接，所述的城轨车辆动力模型连接至城轨车辆电气模型，并根据列车的不同运行模式提供相应的运行动力驱动车辆运行。
所述的城轨车辆电气模型包括牵引电机、牵引逆变器、滤波电路、制动电阻和辅助逆变器，所述的牵引逆变器输入端通过滤波电路连接直流电网，输出端连接牵引电机，所述的制动电阻和辅助逆变器均并联于所述的牵引逆变器输入端。城轨车辆电气模型中牵引电机、牵引逆变器、滤波电路、制动电阻和辅助逆变器真实地反应了实际的城轨车辆，更具有真实性，并与储能系统模型直接连接，在城轨车辆的运营过程中，由于车上其他电气系统的作用会直接作用在储能系统模型上，具有较高的真实性，提高了模型的精确性。
所述的储能系统模型包括储能元件、储能变换器和储能元件检测单元，所述的储能元件通过储能变换器连接至所述的牵引逆变器输入端，所述的储能元件检测单元连接储能元件并实时检测并计算储能元件内阻和容量。采用真实的储能元件和储能变换器而非采用等效的功率源，使得城轨车辆电气模型在运作过程中产生了储能器件的温度变化、充放电流和端电压的变化的因素，以及储能元件在长期使用中寿命衰减的因素，导致的储能系统的内阻、容量不断变化，这些变化均真实的反应出来，使得该模型接近更接近真实的城轨车辆运作，从而能通过仿真平台得到更真实的运行数据，也进一步为后续城轨车辆的安全节能性评估提供基础，提高评估准确性。
所述的储能元件为超级电容模块，超级电容能提供瞬时功率变化，保证城轨车辆平稳运行。
所述的储能变换器为双向DC/DC变换器，使得储能元件能工作在充放电状态。
所述的城轨车辆动力模型包括工况输入单元和牵引计算单元，所述的工况输入单元输入城轨车辆运行于多种工况时的线路信息，牵引计算单元接受该线路信息并计算车辆的实时运行参数，根据运行参数控制所述的牵引逆变器工作，从而带动牵引电机运作。
所述的多种工况包括高峰期、低峰期的不同车辆运营间隔下，起动、惰行和制动工况，考虑多种工况下列车运行状态，尤其是在不同车辆运行间隔下列车运行时电气参数的变化，更加符合实际情况，更加具有真实性，对后续城轨车辆节能和安全评估提供更多的数据，使得评估更具有说服力。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)该仿真平台中城轨车辆电气模型包括牵引电机、牵引逆变器、滤波电路、制动电阻、斩波器和辅助逆变器，与真实的城轨车辆中各部件对应，使得该模型更贴近真实城轨车辆，提高运行精确度；
(2)储能系统模型包括储能元件、储能变换器、储能控制器和储能元件检测单元，并非采用等效的功率源，更加真实的反应了真实城轨车辆中的储能系统，在城轨车辆电气模型和储能系统模型进行整合运行时，真实反应城轨车辆电气模型中电气参数变化对储能系统的影响，提高了该仿真平台的精确性，仿真结构可信度高，从而为后续城轨车辆的安全节能性评估提供基础，提高评估准确性。
(3)该仿真平台考虑多种运行工况，包括高峰期、低峰期的不同车辆运营间隔下，起动、惰行和制动工况，使得该仿真平台仿真结果更符合实际城轨车辆的运行情况，更具有真实性，也进一步提高了后续节能安全评估的准确性。
附图说明
图1为本发明仿真平台的结构框图；
图2为本发明城轨车辆仿真平台结构示意图。
图中1为直流电网，2为城轨车辆电气模型，3为储能系统模型，4为城轨车辆动力模型，5为牵引电机，6为牵引逆变器，7为滤波电路，8为制动电阻，9为辅助逆变器，10为储能变换器，11为储能元件，12为储能元件检测单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1、图2所示，一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，包括直流电网1、城轨车辆电气模型2、储能系统模型3和城轨车辆动力模型4，所述的城轨车辆电气模型2连接直流电网1，其特征在于，所述的城轨车辆电气模型2和储能系统模型3均为真实的电气拓扑结构并相互连接，所述的城轨车辆动力模型4连接至城轨车辆电气模型2，并根据列车的不同运行模式提供相应的运行动力驱动车辆运行。
所述的城轨车辆电气模型2包括牵引电机5、牵引逆变器6、滤波电路7、制动电阻8和辅助逆变器9，所述的牵引逆变器6输入端通过滤波电路7连接直流电网1，输出端连接牵引电机5，所述的制动电阻8和辅助逆变器9均并联于所述的牵引逆变器6输入端。城轨车辆采用真实的电气系统拓扑，并与储能系统模型3直接连接，在城轨车辆的运营过程中，由于车上其他电气系统的作用会直接作用在储能系统模型3上，具有较高的真实性，提高了模型的精确性。
所述的储能系统模型3包括储能元件11、储能变换器10和储能元件检测单元12，所述的储能元件11通过储能变换器10连接至所述的牵引逆变器6输入端，所述的储能元件检测单元12连接储能元件11并实时检测并计算储能元件11内阻和容量。采用真实的储能模型而非采用等效的功率源，使得模型在运作过程中产生了储能器件的温度变化、充放电流和端电压的变化的因素，以及储能元件11在长期使用中寿命衰减的因素，导致的储能系统的内阻、容量不断变化，这些变化均真实的反应出来，使得模型接近更接近真实的城轨车辆运作，从而能通过仿真平台得到更真实的运行数据，也进一步为后续城轨车辆的安全节能性评估提供基础，提高评估准确性。所述的储能元件11为超级电容模块，超级电容能提供瞬时功率变化，保证城轨车辆平稳运行。所述的储能变换器10为双向DC/DC变换器，使得储能元件11能工作在充放电状态。
所述的城轨车辆动力模型4包括工况输入单元和牵引计算单元，所述的工况输入单元用于输入车辆运行于多种工况时的线路信息，包括发车间隔，其单位为秒(s)，如270s，300s，…，600s，每隔30s作为一个发车间隔的选择，同时线路信息还包括各个站点之间坡度千分数和所在位置的关系。牵引计算单元计算车辆的实时运行参数，并控制所述的牵引逆变器6工作，从而带动牵引电机5运作。其中实时运行参数包括车辆编组方式、车辆载荷、控制方式、列车构造速度、基本阻力系数(A、B、C三个)、电机额定功率、变电所参数(空载电压、等效内阻)和线路参数(等效电阻、等效电感)等。另外，该实施例中环境温度系数为1.0，海拔高度系数为1.0。
所述的多种工况包括高峰期、低峰期的不同车辆运营间隔下，起动、惰行和制动工况，考虑多种工况下列车运行状态，尤其是在不同车辆运行间隔下列车运行时电气参数的变化，更加符合实际情况，更加具有真实性，对后续城轨车辆节能和安全评估提供更多的数据，使得评估更具有说服力。

Claims (7)

1.一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，包括直流电网(1)、城轨车辆电气模型(2)、储能系统模型(3)和城轨车辆动力模型(4)，所述的城轨车辆电气模型(2)连接直流电网(1)，其特征在于，所述的城轨车辆电气模型(2)和储能系统模型(3)均为真实的电气拓扑结构并相互连接，所述的城轨车辆动力模型(4)连接至城轨车辆电气模型(2)，并根据列车的不同运行模式提供相应的运行动力驱动车辆运行。
2.根据权利要求1所述的一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，其特征在于，所述的城轨车辆电气模型(2)包括牵引电机(5)、牵引逆变器(6)、滤波电路(7)、制动电阻(8)和辅助逆变器(9)，所述的牵引逆变器(6)输入端通过滤波电路(7)连接直流电网(1)，输出端连接牵引电机(5)，所述的制动电阻(8)和辅助逆变器(9)均并联于所述的牵引逆变器(6)输入端。
3.根据权利要求2所述的一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，其特征在于，所述的储能系统模型(3)包括储能元件(11)、储能变换器(10)和储能元件检测单元(12)，所述的储能元件(11)通过储能变换器(10)连接至所述的牵引逆变器(6)输入端，所述的储能元件检测单元(12)连接储能元件(11)并实时检测并计算储能元件(11)内阻和容量。
4.根据权利要求3所述的一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，其特征在于，所述的储能元件(11)为超级电容模块。
5.根据权利要求3所述的一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，其特征在于，所述的储能变换器(10)为双向DC/DC变换器。
6.根据权利要求1所述的一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，其特征在于，所述的城轨车辆动力模型(4)包括工况输入单元和牵引计算单元，所述的工况输入单元输入城轨车辆运行于多种工况时的线路信息，牵引计算单元接受该线路信息并计算车辆的实时运行参数，根据运行参数控制所述的牵引逆变器(6)工作，从而带动牵引电机运作。
7.根据权利要求1所述的一种储能式城轨车辆真实物理特性的仿真平台，其特征在于，所述的多种工况包括高峰期、低峰期的不同车辆运营间隔下，起动、惰行和制动工况。
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