CN109657400B - 一种有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法 - Google Patents

一种有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法，包括：A.判断车辆是否满足放电特征1计算工况，满足则仅超级电容放电；不满足则跳至B；B.判断车辆是否满足放电特征2计算工况，若满足，当超级电容的实时电压值大于设定值U时，超级电容放电，其实时电压值小于设定值U时，超级电容和电池电容混合放电；不满足则跳至C；C.在车辆离开某站时，超级电容和电池电容混合放电；D.若终点站电池电容可用电量小于Wk、终点站电池电容充满所需充电时间大于T0，则在列车离开上行站台折返至下行站台期间，由超级电容给电池电容充电。本发明在满足车辆运行能量的情况下，提高了运行里程，减少充电桩的设置，减少投资维护成本。

Description

一种有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法
技术领域
本发明属于轨道交通领域，特别涉及一种有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法。
背景技术
100％低地板有轨电车供电分为接触网供电和无网供电。接触网供电由于不美观影响市容，逐渐被市场淘汰。无网供电中超级电容储能供电虽然功率密度大但储存能量较少，存在站间距大、坡道大而无法运行到下一站的问题；无网供电中电池供电虽然能量密度大，但是功率密度小且充放电时间较长，且寿命低于超级电容，使其不能作为车辆的主要电源。
由单一电源供电的牵引仿真计算，只要超级电容能量不够或电池的能量低于一定值，列车即面临无法运行的风险。
在现有混合供电技术中，重在研究输入参数及模块的改变影响车辆牵引仿真方法和路口运营控制的计算方法、分析研究混合供电系统的仿真软件系统及相关模型，对混合动力供电的放电牵引仿真计算方法没有进行深入研究。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法，提供一种超级电容与电池电容混合供电的新型供电方式，优先超级电容供电，根据线路条件，设定双向DC/DC开通(即电池电容放电)条件，以实现列车动力性能和储能增程的要求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法，其特点是包括：
步骤A.判断车辆是否满足放电特征1计算工况，若满足，则仅采用超级电容放电；若不满足，则跳转至步骤B；其中，放电特征1计算工况是指：超级电容的实时电压值大于等于超级电容的最小工作电压值；
步骤B.判断车辆是否满足放电特征2计算工况，若满足，当超级电容的实时电压值大于设定值U时，超级电容放电；当超级电容的实时电压值小于设定值U时，则双向DC/DC开通，采用超级电容和电池电容混合放电；若不满足，则跳转至步骤C；其中，放电特征2计算工况是指：超级电容的实时电压值大于等于设定值U，或者，超级电容的实时电压值小于设定值U且大于等于超级电容的最小工作电压值；
步骤C.在车辆离开某站时，双向DC/DC开通，采用超级电容和电池电容混合放电；
步骤D.若终点站电池电容可用电量小于Wk、终点站电池电容充满所需充电时间大于T0，此时为了缩短电池电容充电时间(不影响行车间隔)，则在列车离开上行站台折返至下行站台期间，开通双向DC/DC，由超级电容给电池电容充电。
进一步地，在步骤A中，超级电容能耗计算方法为：WR＝WQ+WF(W·h)；超级电容实时电压值计算方法为：
Figure BDA0001933648630000031
其中，WQ为牵引能耗，WF为辅助能耗，Umax为超级电容的最大工作电压值，C为超级电容的电容值，Us为超级电容的实时电压。
作为一种优选方式，超级电容的最小工作电压值为500V。
进一步地，在步骤B中，电池电容投入前，超级电容的实时电压计算方法为：
Figure BDA0001933648630000032
电池电容投入后，电池电容投入的能耗计算方法为：
Figure BDA0001933648630000033
其中，P为电池电容的额定功率，T为实时时间减去投入起点时间，投入起点的实时电压即为设定的电压值；
超级电容的能耗计算方法为：WR＝WQ+WF-WC(W·h)；超级电容的实时电压值计算方法为：
Figure BDA0001933648630000034
进一步地，在步骤C中，电池电容投入的能耗计算方法为：
Figure BDA0001933648630000035
其中，P为电池电容的额定功率，T为实时时间减去投入起点时间，投入起点的实时电压即为设定的电压值；
超级电容的能耗计算方法为：WR＝WQ+WF-WC(W·h)；超级电容的实时电压值计算方法为：
Figure BDA0001933648630000036
进一步地，进入上行终点站台前，超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000041
或
Figure BDA0001933648630000042
经过上行终点站台充电后，超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000043
或
Figure BDA0001933648630000044
其中，Imax为地面充电站提供的最大电流，T0为终点站充电时间，C为超级电容的电容值，Us为停站前超级电容的实时电压；在列车离开上行终点站台折返至下行始发站台期间，超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000045
与现有技术相比，本发明在满足车辆运行能量的情况下，将车辆运行里程至少提高了3倍，解决了车辆因站间距大、坡道大而无法运行到下一站的问题，可以减少充电桩的设置，进而减少投资维护成本，能量利用率更高。
附图说明
图1为放电特征1简图。
图2为放电特征2简图。
图3为放电特征3简图。
图4为放电特征4简图。
具体实施方式
本发明主要研究在确定的车辆配置、线路条件下(含充电桩设置)，计算如何在有限的能源下车辆可以满足线路能量要求。在长大坡道、站间距大的线路情况下，计算怎样利用有限的能源从一个站运行到另一个站进行充电。此混合供电方案放电能量分配计算方法是牵引仿真计算方法的一大难点。本发明将公开这种混合供电的放电牵引仿真计算方法。
本发明所述有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法如下：
放电特征1计算方法：
如图1所示，放电特征1计算方法为超级电容单独放电的计算方法。Umin为超级电容的最小工作电压值(最小工作电压值为500V)，超级电容的实时电压需大于等于超级电容的最小工作电压值，此种计算方法适用于站间距小、线路基本为平直道、路口优先通过等线路条件良好的情况。
超级电容能耗，计算方法如下：
WR＝WQ+WF(W·h) 式(1)
超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000051
WQ为牵引能耗，WF为辅助能耗，Umax为超级电容的最大工作电压值，C为超级电容的电容值，Us为超级电容的实时电压。
正常工况，超级电容的最小工作电压值为500V，通过判断Us是否大于等于500V，来判断超级电容是否放电。
放电特征2计算方法：
如图2所示，在放电特征1计算工况无法满足要求的情况下，采用超级电容放电及超级电容+电池电容混合放电。设定超级电容电压设定值U(根据线路条件而定，假设为U)，当超级电容的实时电压值大于设定值U时，超级电容放电；当超级电容的实时电压值小于设定值U时，双向DC/DC开通，电池电容投入混合放电的计算方法。超级电容的实时电压值大于等于设定值U,或者，超级电容的实时电压值小于设定值U且大于等于超级电容的最小工作电压值，此种计算方法适用于站间距大或大长坡道或路口红绿灯等待时间长的线路情况。
电池电容投入前，超级电容的能耗计算方法为：
Figure BDA0001933648630000061
电池电容投入后，电池电容投入的能耗，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000062
P为电池电容的额定功率，T为实时时间减去投入起点时间，投入起点的实时电压即为设定的电压值。
超级电容的能耗，计算方法如下：
WR＝WQ+WF-WC(W·h) 式(4)
注意：当制动时，电池电容不投入，此时的电池能耗不是实时变化的值，而是最终投入电池电容的能耗的绝对值。
超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000071
正常工况，超级电容的最小工作电压值Umin为500V；通过判断Us是否大于等于设定值U，或者Us小于设定值U且大于等于500V，来判断投入电池电容时超级电容电压设定值的大小及车辆配置是否满足线路要求。
放电特征3计算方法：
如图3所示，在放电特征2计算工况无法满足要求的情况下，采用超级电容+电池电容混合放电。设定列车离开某站时，双向DC/DC开通，电池电容投入放电的计算方法。超级电容的电压需大于等于超级电容的最小工作电压值Umin，此种计算方法适用于站间距大、大长坡道、路口红绿灯等待时间长同时存在的线路情况。
电池电容投入的能耗，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000072
P为电池电容的额定功率，T为实时时间减去投入起点时间，投入起点的实时电压即为设定的电压值。
超级电容的能耗，计算方法如下：
WR＝WQ+WF-WC(W·h) 同式(4)
注意：当制动时，电池电容不投入，此时的电池能耗不是实时变化的值，而是最终投入电池电容的能耗的绝对值。
超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000081
正常工况，超级电容的最小工作电压值Umin为500V；通过判断Us是否大于等于500V，来判断车辆配置是否满足线路要求。
放电特征4计算方法：
若终点站电池电容可用电量小于Wk、终点站电池电容充电时间大于T0，为了缩短电池电容充电时间(不影响行车间隔)，在列车离开上行终点站台折返至下行始发站台期间，开通双向DC/DC，由超级电容给电池电容充电。
进入上行终点站台前，超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000082
或
Figure BDA0001933648630000083
同式(2)或式(5)
经过上行终点站台充电后，超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000084
或
Figure BDA0001933648630000085
式(6)或式(7)
其中，Imax为地面充电站提供的最大电流，T0为终点站充电时间，C为超级电容的电容值，Us为停站前超级电容的实时电压(式2或式5值)，终点站充电时间一般都大于30S，超级电容可以完全充满。
Us2＝900(V)
在列车离开上行终点站台折返至下行始发站台期间，超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure BDA0001933648630000091
Tt为列车离开上行终点站台折返至下行始发站台的时间,TZ为电池电容从0％充满所需的时间,W为电池电容的最大可用电量。
Wk(此值根据终点站充电时间T0而定，假设为120S)，Wk为电池电容最大可用电量的67％；通过判断在终点站充电时间为120S时，终点站电池电容的可用电量小于最大可用电量的67％，在列车离开上行站台折返至下行站台期间，开通双向DC/DC，由超级电容给电池电容充电。
通过行车间隔时间T1(T1初期一般为5分钟，远期一般为3分钟)，终点站电池电容的可用电量大于等于Wk1(假设T1为3分钟，Wk1为电池电容最大可用电量的50％)判断电池电容行车间隔时间T1内是否可以充满。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法，其特征在于，包括：
步骤A.判断车辆是否满足放电特征1计算工况，若满足，则仅采用超级电容放电；若不满足，则跳转至步骤B；其中，放电特征1计算工况是指：超级电容的实时电压值大于等于超级电容的最小工作电压值；
步骤B.判断车辆是否满足放电特征2计算工况，若满足，当超级电容的实时电压值大于设定值U时，超级电容放电；当超级电容的实时电压值小于设定值U时，则双向DC/DC开通，采用超级电容和电池电容混合放电；若不满足，则跳转至步骤C；其中，放电特征2计算工况是指：超级电容的实时电压值大于等于设定值U,或者，超级电容的实时电压值小于设定值U且大于等于超级电容的最小工作电压值；
步骤C.在车辆离开某站时，双向DC/DC开通，采用超级电容和电池电容混合放电；
步骤D.若终点站电池电容可用电量小于Wk、终点站电池电容充满所需充电时间大于T0，则在列车离开上行站台折返至下行站台期间，开通双向DC/DC，由超级电容给电池电容充电。
2.如权利要求1所述的有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法，其特征在于，
在步骤A中，超级电容能耗计算方法为：WR＝WQ+WF(W·h)；超级电容实时电压值计算方法为：
Figure FDA0001933648620000021
其中，WQ为牵引能耗，WF为辅助能耗，Umax为超级电容的最大工作电压值，C为超级电容的电容值，Us为超级电容的实时电压。
3.如权利要求1或2所述的有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法，其特征在于，超级电容的最小工作电压值为500V。
4.如权利要求1所述的有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法，其特征在于，
在步骤B中，电池电容投入前，超级电容的实时电压计算方法为：
Figure FDA0001933648620000022
电池电容投入后，电池电容投入的能耗计算方法为：
Figure FDA0001933648620000023
其中，P为电池电容的额定功率，T为实时时间减去投入起点时间，投入起点的实时电压即为设定的电压值；
超级电容的能耗计算方法为：WR＝WQ+WF-WC(W·h)；超级电容的实时电压值计算方法为：
Figure FDA0001933648620000024
5.如权利要求1所述的有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法，其特征在于，
在步骤C中，电池电容投入的能耗计算方法为：
Figure FDA0001933648620000025
其中，P为电池电容的额定功率，T为实时时间减去投入起点时间，投入起点的实时电压即为设定的电压值；
超级电容的能耗计算方法为：WR＝WQ+WF-WC(W·h)；超级电容的实时电压值计算方法为：
Figure FDA0001933648620000031
6.如权利要求1所述的有轨电车混合供电放电牵引仿真计算方法，其特征在于，进入上行终点站台前，超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure FDA0001933648620000032
或
Figure FDA0001933648620000033
经过上行终点站台充电后，超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure FDA0001933648620000034
或
Figure FDA0001933648620000035
其中，Imax为地面充电站提供的最大电流，T0为终点站充电时间，C为超级电容的电容值，Us为停站前超级电容的实时电压；在列车离开上行终点站台折返至下行始发站台期间，超级电容实时电压值，计算方法如下：
Figure FDA0001933648620000036
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