混合動力列車運行仿真系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

杜昕

（西南交通大學電氣工程學院，成都 611756）

混合動力列車運行仿真系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

杜昕

（西南交通大學電氣工程學院，成都 611756）

為研究一類帶有車載儲能系統(tǒng)的新型城市軌道交通用混合動力列車，模擬列車在設(shè)定線路上的運行狀態(tài)，開發(fā)混合動力列車運行仿真系統(tǒng)。根據(jù)混合動力列車運行特征，以及各模塊間相互獨立、視圖數(shù)據(jù)相互分離的設(shè)計思想，對仿真系統(tǒng)進行架構(gòu)設(shè)計及功能模塊劃分，然后詳細闡述關(guān)鍵模塊及算法的實現(xiàn)方法，包括列車牽引解算、能量管理策略和車載儲能解算。最后基于MFC框架進行開發(fā)實現(xiàn)，并通過仿真實例驗證系統(tǒng)的有效性。

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題（No.2015X008-A）

0 引言

帶有車載儲能裝置的城市軌道交通用混合動力列車具有運營線路供電方式靈活、綠色節(jié)能的特點，有廣闊的研究與應用前景[1-2]?；旌蟿恿α熊囀且粋€涉及電氣、機械、控制等多個學科的復雜系統(tǒng)工程，開發(fā)混合動力列車運行仿真系統(tǒng)，可為用戶進行列車參數(shù)設(shè)計與分析研究工作提供平臺，具有重要的科研和實際意義。

針對列車運行仿真系統(tǒng)的開發(fā)，國外起步早且有一些系統(tǒng)已投入商業(yè)應用，如北美Systar的RailSim系統(tǒng)[3]、瑞士聯(lián)邦研究院的Opentrack系統(tǒng)[4]、日本交通控制實驗室的UTRAS系統(tǒng)[5]等。國內(nèi)開發(fā)的列車運行仿真平臺多用于科研試驗，如西南交通大學開發(fā)的列車駕駛仿真器[6]、北京交通大學開發(fā)的CTCS-3級列控系統(tǒng)仿真測試半實物平臺[7]等。這些機構(gòu)開發(fā)的列車仿真平臺，仿真對象主要是普通機車、動車組列車等。而對含有多種動力源的新型混合動力列車的運行仿真研究，國內(nèi)尚處于起步階段[8]。

本文以基于“接觸網(wǎng)+車載儲能裝置”動力源的混合動力城軌列車為對象，設(shè)計列車運行仿真系統(tǒng)的表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層三層功能架構(gòu)，開發(fā)面向?qū)ο蟮膯瘟熊囘\行仿真系統(tǒng)。本文介紹了仿真系統(tǒng)的框架及功能模塊，并分析了牽引解算、車載儲能系統(tǒng)解算及能量管理策略等關(guān)鍵問題，最后在Visual Studio 2008環(huán)境下使用C++/MFC進行了系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)，并以一段有軌電車試驗線路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行了驗證。

1 混合動力列車系統(tǒng)運行分析

本文研究的混合動力列車由接觸網(wǎng)與車載儲能裝置作為動力電源為列車運行提供能量，通過牽引傳動系統(tǒng)驅(qū)動列車運行，列車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當列車運行在有接觸網(wǎng)區(qū)段時，可由接觸網(wǎng)或車載儲能裝置向列車供給能量，接觸網(wǎng)可向車載儲能裝置提供能量進行充電，列車處于制動工況時，產(chǎn)生的再生制動能量按照一定分配策略回饋到車載儲能裝置或接觸網(wǎng)，實現(xiàn)制動能量的回收；當列車運行在無接觸網(wǎng)區(qū)段時，車載儲能裝置向列車供給能量，確保列車的運行；停站時站內(nèi)地面充電裝置可向車載儲能裝置充電。綜上分析，混合動力列車較普通列車有更多種能量流動方式。因此，在運行仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要建立合理的混合動力列車解算模型，并給出恰當?shù)哪芰糠峙洳呗裕茨芰抗芾恚?，以更加準確合理地模擬混合動力列車的運行過程。

圖1 混合動力列車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 混合動力列車運行仿真系統(tǒng)設(shè)計

開發(fā)混合動力列車運行仿真系統(tǒng)目的是針對城市軌道交通的實際線路情況模擬混合動力列車的運行過程，研究列車運行速度影響因素、列車優(yōu)化操縱方法、能量管理策略等問題，為新型混合動力列車運行優(yōu)化和能量管理的研究提供平臺，為工程設(shè)計、運營等部門的列車動力性能設(shè)計、車線耦合校驗等工作提供較為精確的列車運行參數(shù)。

混合動力列車運行仿真系統(tǒng)主要由仿真參數(shù)設(shè)置、列車仿真運行和仿真結(jié)果輸出三大模塊組成?；旌蟿恿α熊囘\行仿真系統(tǒng)根據(jù)其開發(fā)目的與設(shè)計需求，遵循面向?qū)ο筌浖こ痰乃枷耄捎媒y(tǒng)一建模語言，通過一個主控對話框?qū)崿F(xiàn)各模塊的切換和調(diào)用，系統(tǒng)包含的所有模塊構(gòu)成了混合動力列車運行仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)。采用三層架構(gòu)模型對混合動力列車運行仿真系統(tǒng)進行框架設(shè)計，如圖2所示，系統(tǒng)分為表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層三層。

圖2 混合動力列車運行仿真系統(tǒng)功能架構(gòu)

3 表示層模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)模型，表示層包含模塊主要實現(xiàn)線路數(shù)據(jù)和列車數(shù)據(jù)文件處理功能、仿真配置功能以及仿真結(jié)果輸出功能，滿足用戶對仿真場景設(shè)定和數(shù)據(jù)交互的需求。

線路數(shù)據(jù)體現(xiàn)了混合動力列車運行的線路狀況。用戶掌握的線路數(shù)據(jù)的來源和格式可能不盡相同，為保證數(shù)據(jù)格式的一致性和線路數(shù)據(jù)的安全性，線路數(shù)據(jù)配置模塊采用固定格式的線路數(shù)據(jù)文件以供用戶仿真調(diào)用。

線路數(shù)據(jù)配置包含以下信息要素：工務線路數(shù)據(jù)（如線路坡道信息、曲線信息等）；線路設(shè)施數(shù)據(jù)（如車站信息、路口信息）；線路限速數(shù)據(jù)；供電方式信息（包括接觸網(wǎng)供電、車載儲能供電2種方式）。

列車動力集成設(shè)計模塊實現(xiàn)列車及車載儲能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的輸入和列車文件的生成，主要包括列車參數(shù)配置和儲能系統(tǒng)參數(shù)配置等功能。列車動力集成設(shè)計模塊功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

列車整車參數(shù)配置提供列車基本參數(shù)的錄入功能和牽引特性計算功能。列車基本參數(shù)包括編組載重、基本運行阻力公式、最高運行速度、列車加/減速度、機電效率、輔助功率、齒輪傳動比等；牽引特性計算功能可以根據(jù)列車加/減速度等參數(shù)，自動計算出列車的牽引/電制動特性曲線[9]、過坡能力、加速度特性等信息，幫助用戶初步驗證所配置列車動力性能。

圖3 列車動力集成設(shè)計模塊功能

儲能系統(tǒng)參數(shù)配置主要完成儲能裝置參數(shù)、DC/ DC變換器參數(shù)、能量管理策略參數(shù)的設(shè)定，以及粗略校驗儲能系統(tǒng)容量等功能。為提高軟件的通用程度，系統(tǒng)對儲能裝置的類型選擇提供動力電池與超級電容兩種。儲能系統(tǒng)參數(shù)主要包括車載動力包的額定電壓、額定容量、最大充放電電流、電量使用范圍等；儲能系統(tǒng)特性主要包括充放電特性、內(nèi)阻特性、充放電效率特性等；DC/DC變換器參數(shù)主要是DC/DC變換器的效率；容量校驗根據(jù)所配置的儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)，設(shè)定容量校驗計算用的平直道線路長度和目標速度，按照最大能力運行策略 （即最大牽引力起車、貼近目標速度勻速運行、最大制動力停車）運行計算，驗算所配置的儲能系統(tǒng)電量是否滿足運行所需能耗。

仿真運行配置模塊提供待仿真車線數(shù)據(jù)的選擇及相關(guān)仿真參數(shù)的設(shè)定功能。該模塊方便用戶調(diào)整仿真參數(shù)，簡化重復性仿真的工作量。相關(guān)仿真參數(shù)包括線路、列車方案設(shè)定，運行策略設(shè)定，停站設(shè)定，停站充電設(shè)定，路口停車設(shè)定，車載儲能系統(tǒng)參數(shù)初始化設(shè)定等。

運行策略設(shè)定提供最大能力運行、準點節(jié)能運行、惰行節(jié)能運行等列車運行策略[10-11]。停站設(shè)定提供仿真線路中的車站是否停車及停車時長的設(shè)定接口。停站充電設(shè)定提供停車車站停車時是否在對車載儲能裝置進行充電及充電量的設(shè)定接口。路口停車設(shè)定提供仿真線路中的路口是否停車及停車時長的設(shè)定接口。車載儲能系統(tǒng)參數(shù)初始化則主要包括仿真初始電量的設(shè)定。

仿真結(jié)果輸出模塊提供仿真輸出結(jié)果的圖線展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與評估、輸出格式轉(zhuǎn)換、結(jié)果打印等功能，方便用戶查看和輸出仿真結(jié)果。輸出結(jié)果圖線展示功能可選擇顯示列車運行速度、能耗、SoC（State of Charge）、電流、牽引/制動力等參數(shù)曲線，橫坐標可設(shè)置為距離或時間。數(shù)據(jù)統(tǒng)計與評估功能可自動統(tǒng)計運行區(qū)間全程的時間、能耗、平均速度、平均電流等信息，極大簡化用戶對仿真結(jié)果的處理工作。輸出格式轉(zhuǎn)換功能可將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)以Excel表格等形式進行輸出，方便用戶調(diào)用。結(jié)果打印功能可實現(xiàn)以上圖線、表格的打印。

4 邏輯層關(guān)鍵問題解決方案

牽引解算模塊主要完成列車運動學的計算，動態(tài)計算運行過程中列車實時位置、速度和牽引力[12]等信息。牽引解算模塊由計算線程控制，采用等距離步長方式推進計算。牽引計算模塊主要計算流程設(shè)計如圖4所示。當系統(tǒng)收到開始仿真指令，線程啟動，牽引解算模塊從列車運行控制模塊[13]獲取運行工況、級位信息；根據(jù)列車牽引/制動特性曲線與工況級位，計算列車實時牽引力/制動力；同時由列車當前速度信息計算列車所受基本運行阻力，由線路數(shù)據(jù)、列車當前位置計算列車所受附加阻力；然后根據(jù)列車運動學計算列車加速度、速度、位置，并更新列車速度、位置信息；直至收到仿真結(jié)束信號，計算線程結(jié)束。

圖4 牽引計算模塊流程圖

能量管理策略模塊根據(jù)列車實時牽引/電制動力和速度計算運行需求功率PT，按照設(shè)定規(guī)則對功率進行分配，并對車載儲能系統(tǒng)的使用過程進行保護。能量管理策略模塊輸入?yún)?shù)為列車實時需求功率PT，輸出參數(shù)為車載儲能系統(tǒng)實時輸出功率Pes，接觸網(wǎng)輸出功率Pn為PT與Pes之差。

能量管理策略主要通過判斷車載儲能裝置荷電狀態(tài)SoC進行功率分配。其中涉及兩個重要參數(shù)——充電截止荷電狀態(tài)SoCmax（v）和放電截止荷電狀態(tài)SoCmin（v），二者是與列車運行速度v（單位km/h）相關(guān)的值，原因是列車速度越高動能越大，進行制動產(chǎn)生的再生制動能量越多，為給未來產(chǎn)生的再生制動預留可充電空間，可按照充/放電截止電量隨著速度的增大而降低的規(guī)則進行設(shè)置。能量管理策略參數(shù)在3.2小節(jié)列車動力集成設(shè)計中相關(guān)面板上進行設(shè)定。能量管理策略模塊控制過程如下：首先算出實時車載儲能系統(tǒng)最大充/放電功率Pmax，然后按以下規(guī)則得到車載儲能系統(tǒng)輸出功率Pes并輸出：

規(guī)則1：有接觸網(wǎng)區(qū)段運行時，電量大于充電截止電量SoCmax（v），禁止充電并強制放電至充電截止電量以下；

規(guī)則2：有接觸網(wǎng)區(qū)段運行時，電量小于放電截止電量SoCmin（v），禁止放電并強制充電至放電截止電量以上；

規(guī)則3：列車運行需求功率大于車載儲能系統(tǒng)最大充/放電功率Pmax，車載儲能系統(tǒng)按最大充/放電功率發(fā)揮；

規(guī)則4：再生制動能量優(yōu)先回饋車載儲能系統(tǒng)。

車載儲能解算模塊主要實現(xiàn)車載儲能裝置電量、電流、電壓等參數(shù)的計算。對于儲能裝置的配置可選擇動力電池和超級電容兩種類型，因此對于車載儲能的參數(shù)解算也分為動力電池和超級電容兩種。

（1）動力電池型車載儲能解算流程

動力電池型車載儲能解算模塊依據(jù)電池戴維南等效電路[14]進行電壓和電流等參數(shù)的計算。電池組荷電狀態(tài)SoC的計算采用改進型安時積分法進行估算[15]。仿真計算開始時，解算模塊讀取電池組的等效電路相關(guān)特性曲線和特性參數(shù)；根據(jù)電池荷電狀態(tài)初始值SoC0，從開路電壓特性曲線中查詢電池開路電壓Uocv；根據(jù)儲能系統(tǒng)功率Pes計算當前負載電流I，進而根據(jù)安時積分法更新電池組荷電狀態(tài)SoC，并通過特性曲線讀取開路電壓Uocv，根據(jù)當前參數(shù)計算極化電壓Up，最后根據(jù)等效電路模型更新電池端電壓U并輸出，當前一步計算過程完成，下一步繼續(xù)循環(huán)此過程，直至接收到仿真結(jié)束信號bCalEnd，計算全過程結(jié)束。動力電池型車載儲能解算對應CBattery類，其中，充/放電效率η、電池組串聯(lián)內(nèi)阻R0分別由充/放電效率特性曲線、串聯(lián)內(nèi)阻特性曲線中查詢得到，極化電壓Up計算方式參考文獻[16]進行實現(xiàn)。動力電池型車載儲能解算模塊計算過程的偽代碼如下：

（2）超級電容型車載儲能解算流程

超級電容型車載儲能解算模塊依據(jù)超級電容等效電路模型[17]進行超級電容電壓和電流等參數(shù)的計算。仿真計算開始時，解算模塊讀取超級電容的特性曲線和特性參數(shù)，根據(jù)超級電容初始電量SoC0及SoC與超級電容開路Uocv電壓之間關(guān)系式（與超級電容額定電壓UN和最低電壓Umin有關(guān)）得到超級電容初始開路電壓；根據(jù)車載儲能系統(tǒng)功率Pes計算當前負載電流I，進而根據(jù)電路模型方程更新計算Uocv，并通過SoC及SoC與Uocv之間的關(guān)系式更新SoC；最后根據(jù)等效電路模型更新超級電容輸出端電壓U，當前一步計算過程完成，下一步繼續(xù)循環(huán)此過程，直至接收到仿真結(jié)束信號bCalEnd，計算全過程結(jié)束。超級電容型車載儲能解算對應CSuperCap類，其中，充/放電效率η、并聯(lián)內(nèi)阻Rep和串聯(lián)內(nèi)阻Res分別由超級電容充/放電效率、并聯(lián)內(nèi)阻和串聯(lián)內(nèi)阻特性曲線中查詢得到。超級電容型車載儲能解算模塊計算過程的偽代碼如下：

5 系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證

混合動力列車運行仿真系統(tǒng)采用MFC作為開發(fā)框架，在Visual Studio 2008環(huán)境下使用C++語言實現(xiàn)開發(fā)。線路數(shù)據(jù)配置、列車動力集成和仿真配置功能模塊由各自對應的子面板實現(xiàn)功能；列車運行仿真功能模塊由運行仿真界面動態(tài)展示列車運行位置、速度、能耗、車載儲能系統(tǒng)電量及電流等各項參數(shù)；仿真運行結(jié)束后對仿真數(shù)據(jù)進行保存，最后鏈接至仿真系統(tǒng)的結(jié)果輸出模塊，由仿真結(jié)果輸出面板進行仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與展示、格式轉(zhuǎn)換及打印等功能。

圖5 仿真運行結(jié)果曲線展示

本文選取一列2M3T編組的城軌混合動力概念列車，選用超級電容組成車載儲能裝置，列車基本參數(shù)的設(shè)置如表1所示。仿真截取一段有軌電車試驗線路的部分線路數(shù)據(jù)，全長4.92km，共設(shè)8個停車站ST1~ST8和6個路口CR1~CR6。其中CR2、CR5兩個路口位置后100米區(qū)段以及ST3~ST4區(qū)間設(shè)置為無接觸網(wǎng)區(qū)段，CR1、CR3、CR5三個路口設(shè)置路口停車，ST3站設(shè)置停站充電，初始SoC設(shè)置為95%。仿真運行結(jié)果曲線展示圖如圖5所示，運行結(jié)果部分統(tǒng)計評估數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 運行仿真列車基本參數(shù)

圖5的仿真結(jié)果圖線展示界面能夠直觀顯示混合動力列車在運行過程中的位移、速度、車載儲能裝置SoC、車載儲能系統(tǒng)電流等參數(shù)，車載儲能裝置的用電過程能夠根據(jù)能量管理規(guī)則實現(xiàn)充/放電；表2的相關(guān)運行結(jié)果統(tǒng)計參數(shù)能夠直接得到運行時間、能耗、電流等數(shù)據(jù)，減少用戶的數(shù)據(jù)處理工作量。

表2 運行結(jié)果部分統(tǒng)計評估數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

本文以一類新型城市軌道交通用混合動力列車為研究對象，研究和設(shè)計了混合動力列車運行仿真系統(tǒng)，詳細分析了系統(tǒng)的功能模塊，介紹了牽引解算方法、能量管理策略和車載儲能解算方法等關(guān)鍵問題的解決方案，并利用MFC框架進行系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)。最后在給定混合動力列車參數(shù)和線路數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用該系統(tǒng)進行仿真運行并輸出相關(guān)參數(shù)，驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性。

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Development and Im p lementation of Operation Simulation System for Hybrid Power Train

DU Xin
（School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031）

In order to study a new type of urban hybrid power train with on-board energy storage system,simulates the train operation state under a given line,develops an operation simulation system for hybrid power train.According to the characteristics of the train operation,and de鄄sign concept about independence between modules as well as separation of view and data,designs the simulation system framework and divides its functionalmodules.Develops corresponding criticalmodules and methods for train traction calculation,energy management strategy and on-board energy storage calculation.Develops the simulation system based on MFC framework,and conducts a simulation to verify the effectiveness of the system.

杜昕（1993-），女，河南漯河人，碩士研究生，本科，研究方向為列車運行控制

2017-03-14

2017-05-03

1007-1423（2017）13-0026-07

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.17.007

混合動力列車；運行仿真系統(tǒng)；能量管理；車載儲能解算

Hybrid Power Train;Operation Simulation System;Energy Management;On-board Energy Storage Calculation