CN111806241A - 一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法，包括：1：获取列车牵引制动特性曲线和列车站间运行的目标速度曲线；2：假定列车按照站间目标速度曲线运行时仅能采取非再生制动模式进行制动，并将列车目标速度曲线制动阶段均匀分割为足够小的微小分区；3：计算得到列车在制动阶段任意微小分区的自然阻力和合力；4：根据自然阻力和合力，计算列车在制动阶段任意微小分区所采取的制动力，进而得到非再生制动模式下列车的制动能耗，即为同一站间目标速度曲线下列车采取再生制动时可回收的最大电能。与现有技术相比，本发明确定了列车再生制动过程中可回收电能的最大空间，为再生电能回收、存储系统设计及再生电能利用提供了依据。

Description

一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法

技术领域

本发明涉及轨道交通列车再生电能存储技术领域，尤其是涉及一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法。

背景技术

制动是保证列车在站内安全、可靠和定点停车的重要技术手段。制动工况中主要有“非再生”和“再生”制动两类制动方式。非再生制动方式，需要消耗能量，以空气制动、电磁制动为典型代表。再生制动方式，可以将电动机工况转换为发电机工况，产生的电能可以通过制动电阻转换为热能直接耗散掉，也可以直接或间接地供其他列车或设备使用，从而能够达到节能、降耗的目的。

再生制动亦称反馈制动，本质上是一个能量转换、回收的过程。它通过在制动工况下把电动机用作发电机运转，再生电流切割定子磁场而产生制动力，使得电机的转速降低直至停止。再生制动被广泛应用于纯电动车、混合动力汽车，以及铁路动车和机车车辆上。

列车再生制动的原理见图1所示。当列车制动工作时，牵引电机不再接受来自受电弓的电能，转子反转变为发电机，由于发电机的电磁感应，产生反电动势，反电动势经闭合回路形成电流，即再生电流，该电流切割电机定子磁场产生与列车运行方向相反的制动力，使列车减速运行，直至停车。如果感应电动势接电阻回路形成再生电流，再生电能将变成热能被耗散掉，如果把列车等其它用能设备或超级电容、飞轮、电池等储能设施作为负载，感应电动势将可以经相应的回路产生再生电流，回送电网由列车等其它用能设备直接利用，或存储在等储能设备中待以后不时之需。如图1所示，发电机产生的电能可经由双向DC-DC变换器储存到超级电容中，也可由发电机带动飞轮装置，将再生电能转化为飞轮的动能进行存储。

在再生制动技术诞生之前，列车、汽车等交通工具多采取空气制动、电磁制动等非再生制动方式，依赖于消耗能量产生制动力，以消除自身的动能，从而达到减速运行直至停车的目的。

再生电能的回收、利用，可以将将列车在制动过程中的动能转换的电能反馈回电网或是存储在储能设备中，提供给列车等设备使用。再生制动方式既节约能源又减少了制动时对环境的污染，并且基本上无磨耗，是一种非常理想的制动方式。然而轨道交通领域再生电能回收、存储系统设计及再生电能利用，受限于电能可回收、利用的最大空间。

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轨道交通列车再生电能回收空间确定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法，包括以下步骤：

S1：获取列车牵引制动特性曲线和列车站间运行的目标速度曲线；

S2：假定列车按照站间目标速度曲线运行时，仅能采取非再生制动模式进行制动，并将列车目标速度曲线制动阶段均匀分割为足够小的微小分区；

S3：根据列车站间运行的目标速度曲线和列车牵引制动特性曲线，计算得到列车在制动阶段任意微小分区的自然阻力和合力；

S4：根据在制动阶段任意微小分区的自然阻力和合力，计算列车在制动阶段任意微小分区所采取的制动力，进而得到非再生制动模式下列车的制动能耗，即为同一站间目标速度曲线下列车采取再生制动时可回收的最大电能。

优选的，所述列车站间运行的目标速度曲线，可以描述为列车运行速度关于列车运行距离的函数：

v＝f(s)

式中，v为列车运行速度，s为列车运行距离。

优选的，列车按照站间目标速度曲线运行的过程中，所述列车在制动运行过程中的自然阻力为B_{NaturalResistance}(v)：

B_{NaturalResistance}(v)＝B_{BasicResistance}(v)+B_{AdditionalResistance}

式中，B_{BasicResistance}(v)为根据列车速度计算得到的列车运行过程中的基本阻力，B_{BasicResistance}(v)＝av²+bv+c，其中a、b、c为常数；B_{AdditionalResistance}为线路存在坡道、弯道的情况下附加于列车的运行阻力；

所述列车在非再生制动模式下制动阶段的合力为：

式中，f_{c_braking}(v,s)为列车制动减速运行过程中所受合力，m为列车质量，

为制动阶段列车动态位置关于速度的导数，

优选的，所述列车在非再生制动模式下制动阶段的制动力为：

B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)＝f_{c_braking}(v,s)-B_{NaturalResistance}(v)

式中，B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)表示非再生制动模式下列车在速度v时主动采取制动措施而产生的制动力，f_{c_braking}(v,s)为列车制动减速运行过程中所受合力，B_{NaturalResistance}(v)为列车在制动运行过程中的自然阻力。

优选的，结合列车站间运行的目标速度曲线，所述非再生制动模式下列车的制动能耗为E_{NonRegenerativeActiveBraking}：

式中，C、E分别为列车站间运行的目标速度曲线中列车制动阶段的起点和终点，s_i为列车制动阶段均匀划分的第i个微小分区的位置，Δs为每个微小分区的长度，i＝0,1,2,…,n，n为设定的微小分区的数量，n的取值可根据具体情况确定，无唯一确定的值，能保证每个微小分区足够小，使计算误差在可接受的范围即可。若列车站间运行目标速度曲线存在多个制动阶段，可各制动阶段分别计算，叠加后即可得到总的制动能耗。

优选的，所述非再生制动模式下列车的制动力等效于再生制动模式下再生电流切割磁场产生的制动力，即：

B_{RegenrativeActiveBrakingForce}(v)＝B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(f(s))

其中，B_{RegenrativeActiveBrakingForce}(v)表示再生制动模式下列车在速度v时因电能回收而产生的制动力；

同时，再生制动模式下可回收的再生电能等效于非再生制动模式下列车的制动能耗，即：

E_{RegenerativeActiveBraking}＝E_{NonRegenerativeActiveBraking}

式中，E_{RegenerativeActiveBraking}为再生制动时列车可回收的再生电能，即再生电能可回收、利用的最大空间。

与现有技术相比，本发明方法可用来确定列车制动过程中再生电能可以利用的最大空间，对轨道交通系统再生电能回收、存储系统的设计，如电能存储器系统的容量、器件选型等方面，具有重要的参考价值，同时，本方法具有一般适用性，可以推广到电动汽车和混合动力汽车领域。

附图说明

图1为列车再生制动原理图；

图2为列车牵引制动特性曲线；

图3为列车站间运行的目标速度曲线；

图4为列车站间运行的能耗-时间曲线。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本申请提出一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法，解决了目前再生电能回收、存储系统设计与再生电能利用缺乏精细化指标作为参考依据的困境，应用于轨道交通系统领域，同时可向电动汽车和混合电动汽车领域推广。本方法包括：

S1：获取列车牵引制动特性曲线和列车站间运行的目标速度曲线；

可根据列车性能参数和牵引制动特性曲线，以及站间线路的路况信息，以列车节能、快速运行为优化目标，仿真得到列车站间运行的目标速度曲线。

列车站间运行的目标速度曲线，可以描述为列车运行速度关于列车运行距离的函数：

v＝f(s) (1)

式中，v为列车速度，s为列车运行距离。

S2：假定列车按照站间目标速度曲线运行时，仅能采取非再生制动模式进行制动，并将列车目标速度曲线制动阶段均匀分割为足够小的微小分区；

S3：根据列车站间运行的目标速度曲线和列车牵引制动特性曲线，计算得到列车在制动阶段任意微小分区的自然阻力和合力；

按照式(2)计算列车在制动运行过程中的自然阻力B_{NaturalResistance}(v)：

B_{NaturalResistance}(v)＝B_{BasicResistance}(v)+B_{AdditionalResistance} (2)

式中，B_{BasicResistance}(v)为根据列车速度计算得到的列车制动运行过程中的基本阻力，B_{AdditionalResistance}为线路存坡道、弯道的情况下附加于列车的运行阻力；其中，

B_{BasicResistance}(v)＝av²+bv+c (3)

式中，v为列车运行速度，a、b、c为常数。

所述列车非再生制动模式下制动阶段的合力为：

式中，f_{c_braking}(v,s)为列车制动减速运行过程中所受合力，工程实践中为控制方便一般取为常数f_{c_braking}(如图2所示)，m为列车质量，

为制动阶段列车动态位置关于速度的导数，

S4：根据列车在制动阶段任意微小分区的合力和自然阻力，计算得到列车在制动阶段任意微小分区的制动力，计算公式如下：

B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)＝f_{c_braking}(v,s)-B_{NaturalResistance}(v) (5)

式中，B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)表示非再生制动模式下制动阶段列车在速度v时主动采取制动措施而产生的制动力。

结合列车站间运行的目标速度曲线，列车非再生制动模式下制动阶段的制动力可以描述为：

B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)＝B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(f(s)) (6)

可得非再生制动模式下列车的制动能耗为：

式中，C、E分别为列车站间运行的目标速度曲线中列车制动阶段的起点和终点。s_i为列车制动阶段均匀划分的第i个微小分区的位置，i＝0,1,2,…,n，n为足够大的正整数，Δs为每个微小分区的长度。若列车站间运行的目标速度曲线，存在多个制动阶段，可各制动阶段分别计算列车能耗，叠加后即可得到总的列车制动能耗。

对同一列车而言，无论其采取再生制动模式，还是非再生制动模式，只要遵循同一站间目标速度曲线，其两种模式下在牵引、惰行和制动阶段任意时刻所受合力与自然阻力均应分别相等，才能保证列车按同一目标速度曲线运行，也才能为列车时刻表的确定创造条件。也就是说，再生制动模式下列车在制动阶段所受合力与自然阻力，在同一坐标点，分别与非再生制动模式下列车在制动阶段所受合力与自然阻力相等。

本方法假定存在一种理想情况——再生制动可以完全替代非再生制动模式。由于列车采取不同的制动模式时均遵循同一条目标速度曲线，那么可知再生制动力及其所做的功必然分别等于非再生制动力及其所做的功，可回收的再生电能必等于非再生制动力所做的功，或等于非再生制动模式下产生制动力做功所消耗的能耗。

再生制动不消耗电能，而且有新的电能产生，即再生电能。再生电能可被制动电阻消耗，也可被列车等设备直接利用，或由电能存储设备回收后供以后不时之需。由于列车运行于同一站间线路上，遵循同一目标速度曲线，当列车采取再生制动模式时，除自然阻力消耗的列车动能外，在剩余的列车动能可全部转换为再生电能的理想情况下，再生电流切割磁场产生的制动力必然与列车非再生制动模式下的制动力等效，即

B_{RegenrativeActiveBrakingForce}(v)＝B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(f(s)) (8)

其中，B_{RegenrativeActiveBrakingForce}(v)表示再生制动模式下列车在速度v时因电能回收而产生的制动力。

同时，再生制动模式下可回收的再生电能，理论上也等效于列车非再生制动模式下的制动能耗为，即：

E_{RegenerativeActiveBraking}＝E_{NonRegenerativeActiveBraking} (9)

式中，E_{RegenerativeActiveBraking}为再生制动时列车可回收的再生电能，即再生电能可回收、利用的最大空间。因为再生制动时，除去自然阻力消耗掉的那部分列车动能，剩余的列车动能由于转化效率的存在，不可能100％转化为再生电能，也就是说，再生制动时列车实际回收的电能小于非再生制动时的列车制动能耗，故式(8)所得再生电能就是可回收的最大电能。

实施例

本实施例中，假定列车运行于平直线路，站间距2km，列车重350吨，恒力矩区牵引力350kN，恒功率P＝4167KW，恒制动力250kN，最大运行速度80km/h。具体实施步骤如下：

步骤1：采集线路数据、列车性能参数，根据列车牵引制动特性曲线(可通过现场实验获得，或由制造厂家提供，见图2)，以列车节能、快速运行为优化目标，经仿真实验，得到列车目标速度曲线，见图3；

步骤2：根据图3所示列车站间运行的目标速度曲线，按照下式计算列车制动运行过程中的自然阻力B_{NaturalResistance}(v)：

B_{NaturalResistance}(v)＝B_{BasicResistance}(v)+B_{AdditionalResistance}

式中，v为列车的速度，B_{BasicResistance}(v)为列车制动运行过程中的基本阻力，B_{AdditionalResistance}为线路存在坡道、弯道情况下附加于列车的运行阻力，由于假定列车运行于平直线路，B_{AdditionalResistance}＝0；其中，

B_{BasicResistance}(v)＝0.1053v²+18.7145v+460.4250。

步骤3：根据图2所示的列车牵引制动特性曲线，计算列车按站间目标速度曲线运行时非再生制动模式下的制动力，计算公式如下：

B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)＝f_{c_braking}-B_{NaturalResistance}(v)

式中，f_{c_braking}为列车恒制动力常数，B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)表示非再生制动模式下列车在速度v时主动采取制动措施而产生的制动力。

步骤4：由图3所示的列车站间运行的目标速度曲线可知，列车运行速度v与列车运行距离s存在函数映射关系，可表示为：

v＝f(s)

那么，

B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)＝B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(f(s))。

根据列车站间运行的目标速度曲线，按照下式计算非再生制动模式下列车的制动能耗E_{NonRegenerativeActiveBraking}：

式中，C、E分别为列车站间运行的目标速度曲线中列车制动阶段的起点和终点。

从而，可以得到再生电能可回收的最大电能为：

max(E_{RegenerativeActiveBraking})＝E_{NonRegenerativeActiveBraking}

图2中，O′A段为恒力矩区(与图3中的OA对应)。图3中，AB段为恒功率区，BC段为巡航和惰行阶段，CD曲线为(再生)电制动区，若CD阶段电制动力不足时将以空气制动等其它非再生制动模式(见图2中FG补偿制动曲线)作为补充，直至列车速度为0。假定以符号B*作为目标速度曲线上列车巡航和惰行在时间或距离上分界点(见图3，相应的列车速度为v_B*，则v_B＝v_B*且v_B*＞v_C)，那么BB*段为巡航区，B*C段为惰行区。若v_C＝v_B，则列车无巡航阶段；若v_C＝v_B*，则列车无惰行阶段。

图4为列车采取非再生制动模式时，遵循节能、快速运行两种不同目标速度曲线，所仿真得到的能耗-时间曲线。其中：列车节能运行方式无巡航阶段，列车加速至区间允许的最大速度即开始惰行；列车快速运行方式无惰行阶段，列车巡航结束时即直接进入制动阶段。表1列出了列车节能或快速运行在牵引、惰行、制动阶段的能耗。

当列车采取再生制动时，可回收再生电能的最大空间分别为8.4751×10⁷J、1.0113×10⁸J。

表1非再生制动模式下列车节能或快速运行的能耗情况(单位：J)

	列车节能运行方式	列车快速运行方式
			牵引阶段	1.1118×10<sup>8</sup>	1.2845×10<sup>8</sup>
惰行阶段	0	0
			制动阶段	8.4751×10<sup>7</sup>	1.0113×10<sup>8</sup>
总计	1.9593×10<sup>8</sup>	2.2958×10<sup>8</sup>

Claims (6)

1.一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取列车牵引制动特性曲线和列车站间运行的目标速度曲线；

S2：假定列车按照站间目标速度曲线运行时，仅能采取非再生制动模式进行制动，并将列车目标速度曲线制动阶段均匀分割为足够小的微小分区；

S3：根据列车站间运行的目标速度曲线和列车牵引制动特性曲线，计算得到列车在制动阶段任意微小分区的自然阻力和合力；

S4：根据在制动阶段任意微小分区的自然阻力和合力，计算列车在制动阶段任意微小分区所采取的制动力，进而得到非再生制动模式下列车的制动能耗，即为同一站间目标速度曲线下列车采取再生制动时可回收的最大电能。

2.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法，其特征在于，所述列车站间运行的目标速度曲线，可以描述为列车运行速度关于列车运行距离的函数：

v＝f(s)

式中，v为列车运行速度，s为列车运行距离。

3.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法，其特征在于，所述列车在制动运行过程中的自然阻力为B_{NaturalResistance}(v)：

B_{NaturalResistance}(v)＝B_{BasicResistance}(v)+B_{AdditionalResistance}

式中，B_{BasicResistance}(v)为根据列车速度计算得到的列车运行过程中的基本阻力，B_{BasicResistance}(v)＝av²+bv+c，其中a、b、c为常数；B_{AdditionalResistance}为线路存在坡道、弯道的情况下附加于列车的运行阻力；

所述列车在非再生制动模式下制动阶段的合力为：

式中，f_{c_braking}(v,s)为列车制动减速运行过程中所受合力，m为列车质量，

为制动阶段列车动态位置关于速度的导数，

4.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法，其特征在于，所述列车在非再生制动模式下制动阶段的制动力为：

B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)＝f_{c_braking}(v,s)-B_{NaturalResistance}(v)

式中，B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(v)表示非再生制动模式下列车在速度v时主动采取制动措施而产生的制动力，f_{c_braking}(v,s)为列车制动减速运行过程中所受合力，B_{NaturalResistance}(v)为列车在制动运行过程中的自然阻力。

5.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法，其特征在于，所述非再生制动模式下列车的制动能耗为E_{NonRegenerativeActiveBraking}：

式中，C、E分别为列车站间运行的目标速度曲线中列车制动阶段的起点和终点，s_i为列车制动阶段均匀划分的第i个微小分区的位置，Δs为每个微小分区的长度，i＝0,1,2,…,n，n为设定的微小分区的数量。

6.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车再生电能回收空间确定方法，其特征在于，所述非再生制动模式下列车的制动力等效于再生制动模式下再生电流切割磁场产生的制动力，即：

B_{RegenrativeActiveBrakingForce}(v)＝B_{NonRegenrativeActiveBrakingForce}(f(s))

其中，B_{RegenrativeActiveBrakingForce}(v)表示再生制动模式下列车在速度v时因电能回收而产生的制动力；

同时，再生制动模式下可回收的再生电能等效于非再生制动模式下列车的制动能耗，即：

E_{RegenerativeActiveBraking}＝E_{NonRegenerativeActiveBraking}

式中，E_{RegenerativeActiveBraking}为再生制动时列车可回收的再生电能，即再生电能可回收、利用的最大空间。

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