城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真系统及仿真方法与流程

1.本发明属于城市轨道交通仿真技术领域，特别涉及一种城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真系统及仿真方法。


背景技术：

2.城市轨道交通牵引供电仿真主要针对接触网（轨）系统，即车辆在绝大部分区域都是与接触网（轨）连接。在供电仿真模型中，车辆当作一个随时间变化的功率源。仿真输出主要为接触网（轨）的网压、钢轨电位、充电装置负荷电流等参数。
3.城市轨道交通储能式车辆，一般在车站充电；区间运行时利用储能装置提供能量，仿真重点关注充电装置的负荷电流和车辆剩余储存能量。
4.城市轨道交通储能式车辆一般在地面运行，路权类型多样。车辆在区间运行时间和车站停站时间相较一般城市轨道车辆，有更大的不确定性。充电装置的负荷电流也会随着车辆运行和充电时间的变化而波动。
5.研究充电装置负荷电流波动对供电系统的影响和车辆剩余储存能量对车辆运行的影响都是既有牵引供电仿真系统不具备的。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真系统及仿真方法，同时考虑车辆的运行工况、电气状态和充电装置的负荷状态，计算结果包括充电装置的负荷电流
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时间曲线和车辆速度、位置
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时间曲线及其储能装置的剩余能量
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时间曲线，能够完整、有效地进行城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真。
7.本发明采用的技术方案是：一种城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真方法，包括以下步骤：步骤1：输入牵引模型和供电模型的参数；供电模型的充电装置参数包括位置、同时充电数、最大充电功率；牵引模型的车辆参数包括车重、车长、基本阻力公式、转动惯量、牵引力
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速度曲线、电制动力
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速度曲线、机械制动力
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速度曲线、牵引电流
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速度曲线、再生电流
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速度曲线、牵引效率
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速度曲线、电制动效率
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速度曲线、辅助功率、充电功率
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网压曲线、储能装置控制变量、储存能量计算公式、充电效率、放电效率；牵引模型的线路参数包括车站、坡度、曲线、道口、限速；牵引模型的行车参数包括发车时间、停站时间、道口等待时间；牵引模型的运行参数包括运行工况、速度、位置、牵引功率、剩余储存能量；步骤2：初始化牵引模型；步骤3：初始化供电模型；步骤4：设定仿真时间、仿真时间间隔；步骤5：根据运行参数的速度、位置和剩余储存能量判断各个车辆的运行工况；
步骤6：根据运行参数的位置和剩余储存能量判断各个车辆的电气状态；步骤7：根据运行参数的位置和剩余储存能量判断各个充电装置的负荷需求；步骤8：根据车辆的运行工况、电气状态和充电装置负荷需求，确定系统各充电装置负荷状态、车辆的电气状态和运行工况；步骤9：对各个车辆进行牵引计算和供电计算，得到下一步车辆的速度、位置和剩余储存能量；步骤10：对各个充电装置进行负荷计算；步骤11：跳转时间节点；步骤12：判断是否达到预设仿真时间：若是，输出计算结果；若否，更新运行参数，返回步骤5。
8.进一步的，所述步骤5中，车辆的运行工况分为车站停车和区间运行两类，车辆在车站停车时工况分为充电工况、非充电工况，车辆在区间运行时，工况分为：牵引工况、巡航工况、惰行工况、停车工况和制动工况。
9.进一步的，车辆在区间运行时工况判断步骤如下：s1：设定车辆为牵引工况；s2：判断车辆是否达到设定运行速度：如果是，直接跳转步骤s3；如果否，直接跳转步骤s4；s3：判断车辆的阻力与最大牵引力：如果阻力小于等于最大牵引力，设定车辆为巡航工况，跳转步骤s4；如果阻力大于最大牵引力，直接跳转步骤s4；s4：判断车辆是否应惰行：如果是，设定车辆为惰行工况，跳转步骤s5；如果否，直接跳转步骤s5；s5：判断车辆是否应停车：如果是，设定车辆为停车工况，跳转步骤s6；如果否，直接跳转步骤s6；s6：检算车辆是否应制动：如果是，设定车辆为制动工况，输出工况；如果否，直接输出工况。
10.进一步的，车辆处于区间运行的不同工况时，机械特性如下：牵引工况时：；停车工况时：；巡航工况时：；惰行工况时：；制动工况时：；表示车辆单位合力，表示牵引力，表示车辆阻力，表示车辆质量；表示电制动力，表示机械制动力；为重力系数；
车辆的剩余储存能量变化如下：停车工况时：；牵引工况时：；巡航工况时：； 或；惰行工况时：；制动工况时：或；表示辅助功率，表示牵引功率，表示电制动功率，表示放电效率，表示充电效率，表示机械能与电能转化的效率，表示车辆运行速度；表示仿真时间间隔。
11.进一步的，车辆在车站或充电装置区域停车时：充电过程，储能装置能量变化的计算公式：的计算公式：表示充电电流，表示储能装置的电压；非充电过程，储能装置能量变化的计算公式：。
12.进一步的，步骤8中，根据车辆的运行工况、电气状态和充电装置同时充电数、最大充电功率，确定系统各充电装置负荷状态、车辆的电气状态和运行工况，确定方法包括逻辑控制和功率控制；逻辑控制是设置车辆充电顺序：设置为“先到先充”、“剩余储存能量较低优先充电”或“循环充电”；功率控制是设置充电功率：充电装置的负荷小于等于其最大充电功率。
13.本发明采用的技术方案还是：上述城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真方法
构建的仿真系统，包括供电模型和牵引模型，所述供电模型和牵引模型的接口是车辆充电特性，供电模型的充电装置参数包括位置、同时充电数、最大充电功率，所述牵引模型包括车辆、线路、行车和运行参数；牵引模型的车辆参数包括车重、车长、基本阻力公式、转动惯量、牵引力
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速度曲线、电制动力
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速度曲线、机械制动力
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速度曲线、牵引电流
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速度曲线、再生电流
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速度曲线、牵引效率
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速度曲线、电制动效率
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速度曲线、辅助功率、充电功率
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网压曲线、储能装置控制变量、储存能量计算公式、充电效率、放电效率；线路参数包括车站、坡度、曲线、道口、限速；行车参数包括发车时间、停站时间、道口等待时间；运行参数包括运行工况、速度、位置、牵引功率、剩余储存能量。
14.进一步的，所述充电装置包括变流器、馈线电缆、充电杆、钢轨和回流电缆；变流器等效为可控电流源，馈线电缆、充电杆、钢轨和回流电缆等效为不同阻值的电阻。
15.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明同时考虑车辆的运行工况和充电装置的负荷状态，计算结果包括充电装置的负荷电流
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时间曲线和车辆速度、位置
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时间曲线及其剩余储存能量
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时间曲线，能够完整、有效地进行城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真，能够完整、有效地进行城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真。
附图说明
16.图1为本发明实施例的仿真系统结构示意图；图2为本发明实施例的牵引供电仿真流程示意图；图3为本发明实施例的车辆运行工况判断流程图；图4为本发明实施例的车辆运行：里程、剩余有效能量
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时间示意图。
具体实施方式
17.为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
18.本发明的实施例提供了一种城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真系统，如图1所示，其包括供电模型和牵引模型，供电模型和牵引模型的接口是车辆充电特性。
19.所述供电模型是充电装置，所述充电装置包括变流器、馈线电缆、充电杆、钢轨和回流电缆。变流器：控制输出电流；馈线电缆：连接变流器正极和充电杆；充电杆：连接车辆受电弓（集电器）和馈线电缆；钢轨：连接车辆车轮和回流电缆；回流电缆：连接钢轨和变流器负极。在供电模型中，变流器等效为可控电流源，馈线电缆、充电杆、钢轨和回流电缆等效为不同阻值的电阻。
20.充电装置控制包括逻辑控制和功率控制两个方面。
21.逻辑控制是设置车辆充电顺序。若一套充电装置只能给一台车辆充电，即该充电装置连接的充电杆下，有多台车辆需要充电，至多一台车辆会处于充电状态，剩余车辆需等待充电。若一套充电装置只能给台车辆行充电，即该充电装置连接的充电杆下，有
台车辆需要充电，至多台车辆会处于充电状态，剩余车辆需等待充电。本发明提供了3种逻辑控制方式：1）先到先充、2）对能量最低的车辆进行充电、3）循环充电。假设充电装置只能给1台车辆充电，当两台车辆分别于0:10和0:15进入站台，他们的剩余电量分别为20kw
·
h 和 15kw
·
h. 若采用“先到先充”的充电逻辑，则应该给车辆1充电直至车辆1离开，然后给车辆2充电；若采用“对能量最低的车辆进行充电”的充电逻辑，则先给车辆1充电，当列车2进入车站时，切换充电装置，给车辆2充电；若采用循环充电，则先给车辆1充电10秒，再给车辆2充电10秒
……
，直至车辆1离开。充电逻辑的选择依据充电装置的控制策略确定。
22.功率控制是充电装置对于充电功率的限制。充电装置不具备过负载能力，任意时刻充电装置的负荷都小于等于其最大充电功率。
23.对于超级电容储能装置，控制变量是电压，装置储存能量是，计算公式是：；其中代表储能装置的电容值。
24.本发明建立具有通用性的充电特性公式，包括储能装置的充电电流、储能装置控制变量、储存能量计算公式。
25.对于超级电容储能装置，时刻充电电流为，控制变量是电压，代表储能装置最低电压，代表储能装置最高电压。
26.若为恒流充电，充电特性公式可写成：其中为恒流充电时的充电电流。
27.若为恒功率充电，充电特性公式可写成：其中为恒功率充电时的充电功率。
28.储能装置参数包括：储能装置控制变量、储能装置储存能量及计算公式。
29.对于超级电容储能装置，控制变量是电压，储能装置的电容为，储存能量的计算方式为：；充电时，时刻充电电流是, 车辆辅助用电是, 车辆储能装置的控制变量计算公式为：
；表示时间。
30.车辆的充电电流是，网压是，则充电功率为：若一套充电装置为台车辆充电，则该套充电装置功率计算公式为：计算公式为：表示该充电装置最大功率。
31.充电特性可按照为恒定功率模式，或恒定电流模式。本专利描述的模型包括了不同模式的充电特性。
32.所述牵引模型包括车辆、线路、行车和运行。
33.车辆参数包括车重、车长、基本阻力公式、转动惯量、牵引力
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速度曲线、电制动力
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速度曲线、机械制动力
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速度曲线、牵引电流
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速度曲线、再生电流
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速度曲线、牵引效率
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速度曲线、电制动效率
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速度曲线、辅助功率、充电功率
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网压曲线、储能装置控制变量、储存能量计算公式、充电效率、放电效率；线路参数包括车站、坡度、曲线、道口、限速；行车参数包括发车时间、停站时间、道口通行时间；运行参数包括运行工况、速度、位置、牵引功率、剩余储存能量。
34.模型仿真包括两部分内容：牵引仿真部分和供电仿真部分。
35.牵引仿真：依据车辆、线路、行车和运行参数等进行牵引计算，计算结果包括速度、位置
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时间曲线和剩余储存能量
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时间曲线。
36.供电仿真：依据车辆、运行参数，计算车辆牵引功率（电制动功率）和剩余储存能量，依据车辆充电特性进行充电装置负荷计算。
37.储能式车辆相较于其它类型车辆，根本区别在于：车辆的能量来源不直接来源于接触网（轨），而是来自自身的储能装置。车辆的运行状态会受到剩余储存能量的影响。
38.储能式车辆运行区间中，可能与城市道路交通产生交叉，不一定具有独立路权。路权的影响，车辆运行具有更大的不确定：1）区间运时间不可控、2）区间运行起、停次数增加。区间运行时分的不确定，导致车辆到达充电装置的时间不确定。本发明建立的牵引供电仿真系统能分别定义各个车辆的出发时间和道口的通行时间。
39.车辆的运行工况与其所处的线路信息、区间位置相关。
40.车辆在车站或充电装置区域停车时：充电过程，储能装置能量变化的计算公式：
表示充电电流，表示储能装置的电压；非充电过程，储能装置能量变化的计算公式：。
41.车辆在区间运行时，车辆的储存能量变化与运行工况相关。
42.车辆在区间运行有五种工况：牵引工况、巡航工况、惰行工况、停车工况和制动工况。
43.如图3所示，车辆运行工况判断步骤如下：s1：设定车辆为牵引工况；s2：判断车辆是否达到设定运行速度：如果是，直接跳转步骤s3；如果否，直接跳转步骤s4；s3：判断车辆的阻力与最大牵引力：如果阻力小于等于最大牵引力，设定车辆为巡航工况，跳转步骤s4；如果阻力大于最大牵引力，直接跳转步骤s4；s4：判断车辆是否应惰行：如果是，设定车辆为惰行工况，跳转步骤s5；如果否，直接跳转步骤s5；s5：判断车辆是否应停车：如果是，设定车辆为停车工况，跳转步骤s6；如果否，直接跳转步骤s6；s6：检算车辆是否应制动：如果是，设定车辆为制动工况，输出工况；如果否，直接输出工况。
44.在非独立路权条件下，信号输出的通行许可，控制停车区间，影响制动检算。
45.车辆处于区间运行的不同工况时，机械特性如下：机械特性如下：牵引工况时：；停车工况时：；巡航工况时：；惰行工况时：；制动工况时：；表示车辆单位合力，表示牵引力，表示车辆阻力，表示车辆质量；表示电制动力，表示机械制动力；为重力系数；车辆的剩余储存能量变化如下：
停车工况时：；牵引工况时：；巡航工况时：； 或；惰行工况时：；制动工况时：或；表示辅助功率，表示牵引功率，表示电制动功率，表示放电效率，表示充电效率，表示机械能与电能转化的效率，表示车辆运行速度；表示仿真时间间隔。
46.车辆在牵引时，电功率为正，储能装置能量减少；电制动时，电功率可正可负,储能装置储存能量可能增加可能减少；惰行或停车时，辅助功率为正，使储能装置能量减少。
47.本发明中车辆可使用的牵引功率和辅助功率由车辆控制系统确定，储能装置对于车辆牵引、辅助功率存在限制，表示功率限制阈值。
48.当车辆的剩余储存能量低于时，最大牵引功率下降，即车辆可发挥的牵引功率会受到限制。表示储存能量时，牵引功率的限制系数。表示储存能量时的最大牵引功率。
49.当车辆的剩余储存能量低于时，最大牵引功率，即车辆无法牵引。
50.当车辆的剩余储存能量低于时，车辆的辅助设备限制运行。表示最大辅助功率，表示储存能量时的最大辅助功率，表示储存能量时辅助功率折减系数。
51.本发明所述储能装置储存能量变化对牵引功率和辅助功率限制的设置具有普遍适用性。
52.在每个时刻，计算车辆的剩余储存能量。在下一个时刻依据车辆的计算车辆的。列车区间运行中必须满足：。列车区间运行中必须满足：当车辆需求的牵引功率和辅助功率大于储能装置储存能量限制时，车辆无法按照既定方式运行，只能降低牵引功率甚至惰行方式运行。
53.牵引仿真中，将称作剩余有效能量。
54.仿真中，车辆因储能装置能量限制出现降低牵引功率时，仿真人需检查充电装置设置和储能装置容量是否满足要求。
55.本发明的实施例还提供了一种城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真方法，如图2所示，包括以下步骤：步骤1：输入牵引模型和供电模型的参数；步骤2：初始化牵引模型；步骤3：初始化供电模型；步骤4：设定仿真时间、仿真时间间隔；仿真时间间隔优选0.1秒；步骤5：根据运行参数的速度、位置和剩余储存能量判断各个车辆的运行工况；步骤6：根据运行参数的位置和剩余储存能量判断各个车辆的电气状态；步骤7：根据运行参数的位置和剩余储存能量判断各个充电装置的负荷需求；步骤8：根据车辆的运行工况、电气状态和充电装置负荷需求，确定系统各充电装置负荷状态、车辆的电气状态和运行工况；步骤9：对各个车辆进行牵引计算和供电计算，得到下一步车辆的速度、位置和剩余储存能量；步骤10：对各个充电装置进行负荷计算；步骤11：跳转时间节点；步骤12：判断是否达到预设仿真时间：若是，输出计算结果；若否，更新运行参数，返回步骤5。
56.仿真计算输出结果：车辆运行结果：充电时间、速度、位置
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时间曲线、剩余储存能量
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时间曲线。上述数据用于判断车辆运行是否满足行车需求。仿真人可据此判断车辆储能装置容量是否满足需求。
57.充电装置负荷：负荷电流
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时间曲线。该数据用于统计各个充电装置的电流有效
值、瞬时值等参数。据此判断充电装置容量、数量设置是否合理。
58.利用本仿真方法进行仿真，车辆运行：里程、剩余有效能量
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时间示意图，如图4所示，车辆储能装置初始剩余有效能量是40 kw.h，经过8个车站充电和8个区间（14 km）运行，最后剩余16.9 kw.h。本发明能够完整、有效地进行城市轨道交通储能式车辆的牵引供电仿真。
59.以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。