一種儲能式城軌車輛真實物理特性的仿真平臺的制作方法

本發明涉及一種儲能式城軌車輛仿真平臺，尤其是涉及一種儲能式城軌車輛真實物理特性的仿真平臺。

背景技術：

儲能式城軌車輛是一個機電混合的復雜大系統，它的實際運行工況十分復雜。對儲能系統以及城軌車輛模型，一些采用簡單模型等效的方法不能準確反映系統真實工況，這將直接影響后續對系統節能與安全性綜合評價的工作的結果準確性。

建立儲能系統模型來表征其電能存儲能力與充放電效率需要考慮多因素的影響，現在多數模型考慮的實際因素和工況不夠完全。儲能器件參數受溫度、充放電電流、端電壓變化以及壽命衰減等因素的影響，在實際使用中的容量和內阻是不斷變化的。

現有城軌車輛模型多數不足以反映系統的真實電氣拓撲。城軌車輛電氣系統包括多種電氣設備構成。城軌車輛在起動、惰行、制動過程中，各用電設備之間、用電設備與接觸網之間存在著復雜的交互關系。此外，車載大功率電力電子設備的使用也會給列車電氣系統造成一定量的諧波成分，這將影響對系統的穩定性以及儲能系統的控制策略。

儲能系統模型和城軌車輛模型整合之后需要在模型的精確性和仿真速度制之間進行優化，再運用于對系統節能與安全性綜合評價的工作。在仿真軟件的后臺處理過程中，越是精確的模型，所對應數學方程的復雜程度就越高、計算節點數也越多，會造成仿真速度極低，甚至可能造成仿真結果無法收斂，可信度降低。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種高精度的儲能式城軌車輛真實物理特性的仿真平臺。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種儲能式城軌車輛真實物理特性的仿真平臺，包括直流電網、城軌車輛電氣模型、儲能系統模型和城軌車輛動力模型，所述的城軌車輛電氣模型連接直流電網，所述的城軌車輛電氣模型和儲能系統模型均為真實的電氣拓撲結構并相互連接，所述的城軌車輛動力模型連接至城軌車輛電氣模型，并根據列車的不同運行模式提供相應的運行動力驅動車輛運行。

所述的城軌車輛電氣模型包括牽引電機、牽引逆變器、濾波電路、制動電阻和輔助逆變器，所述的牽引逆變器輸入端通過濾波電路連接直流電網，輸出端連接牽引電機，所述的制動電阻和輔助逆變器均并聯于所述的牽引逆變器輸入端。城軌車輛電氣模型中牽引電機、牽引逆變器、濾波電路、制動電阻和輔助逆變器真實地反應了實際的城軌車輛，更具有真實性，并與儲能系統模型直接連接，在城軌車輛的運營過程中，由于車上其他電氣系統的作用會直接作用在儲能系統模型上，具有較高的真實性，提高了模型的精確性。

所述的儲能系統模型包括儲能元件、儲能變換器和儲能元件檢測單元，所述的儲能元件通過儲能變換器連接至所述的牽引逆變器輸入端，所述的儲能元件檢測單元連接儲能元件并實時檢測并計算儲能元件內阻和容量。采用真實的儲能元件和儲能變換器而非采用等效的功率源，使得城軌車輛電氣模型在運作過程中產生了儲能器件的溫度變化、充放電流和端電壓的變化的因素，以及儲能元件在長期使用中壽命衰減的因素，導致的儲能系統的內阻、容量不斷變化，這些變化均真實的反應出來，使得該模型接近更接近真實的城軌車輛運作，從而能通過仿真平臺得到更真實的運行數據，也進一步為后續城軌車輛的安全節能性評估提供基礎，提高評估準確性。

所述的儲能元件為超級電容模塊，超級電容能提供瞬時功率變化，保證城軌車輛平穩運行。

所述的儲能變換器為雙向DC/DC變換器，使得儲能元件能工作在充放電狀態。

所述的城軌車輛動力模型包括工況輸入單元和牽引計算單元，所述的工況輸入單元輸入城軌車輛運行于多種工況時的線路信息，牽引計算單元接受該線路信息并計算車輛的實時運行參數，根據運行參數控制所述的牽引逆變器工作，從而帶動牽引電機運作。

所述的多種工況包括高峰期、低峰期的不同車輛運營間隔下，起動、惰行和制 動工況，考慮多種工況下列車運行狀態，尤其是在不同車輛運行間隔下列車運行時電氣參數的變化，更加符合實際情況，更加具有真實性，對后續城軌車輛節能和安全評估提供更多的數據，使得評估更具有說服力。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

(1)該仿真平臺中城軌車輛電氣模型包括牽引電機、牽引逆變器、濾波電路、制動電阻、斬波器和輔助逆變器，與真實的城軌車輛中各部件對應，使得該模型更貼近真實城軌車輛，提高運行精確度；

(2)儲能系統模型包括儲能元件、儲能變換器、儲能控制器和儲能元件檢測單元，并非采用等效的功率源，更加真實的反應了真實城軌車輛中的儲能系統，在城軌車輛電氣模型和儲能系統模型進行整合運行時，真實反應城軌車輛電氣模型中電氣參數變化對儲能系統的影響，提高了該仿真平臺的精確性，仿真結構可信度高，從而為后續城軌車輛的安全節能性評估提供基礎，提高評估準確性。

(3)該仿真平臺考慮多種運行工況，包括高峰期、低峰期的不同車輛運營間隔下，起動、惰行和制動工況，使得該仿真平臺仿真結果更符合實際城軌車輛的運行情況，更具有真實性，也進一步提高了后續節能安全評估的準確性。

附圖說明

圖1為本發明仿真平臺的結構框圖；

圖2為本發明城軌車輛仿真平臺結構示意圖。

圖中1為直流電網，2為城軌車輛電氣模型，3為儲能系統模型，4為城軌車輛動力模型，5為牽引電機，6為牽引逆變器，7為濾波電路，8為制動電阻，9為輔助逆變器，10為儲能變換器，11為儲能元件，12為儲能元件檢測單元。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

如圖1、圖2所示，一種儲能式城軌車輛真實物理特性的仿真平臺，包括直流電網1、城軌車輛電氣模型2、儲能系統模型3和城軌車輛動力模型4，所述的城軌車輛電氣模型2連接直流電網1，其特征在于，所述的城軌車輛電氣模型2和儲能系統模型3均為真實的電氣拓撲結構并相互連接，所述的城軌車輛動力模型4 連接至城軌車輛電氣模型2，并根據列車的不同運行模式提供相應的運行動力驅動車輛運行。

所述的城軌車輛電氣模型2包括牽引電機5、牽引逆變器6、濾波電路7、制動電阻8和輔助逆變器9，所述的牽引逆變器6輸入端通過濾波電路7連接直流電網1，輸出端連接牽引電機5，所述的制動電阻8和輔助逆變器9均并聯于所述的牽引逆變器6輸入端。城軌車輛采用真實的電氣系統拓撲，并與儲能系統模型3直接連接，在城軌車輛的運營過程中，由于車上其他電氣系統的作用會直接作用在儲能系統模型3上，具有較高的真實性，提高了模型的精確性。

所述的儲能系統模型3包括儲能元件11、儲能變換器10和儲能元件檢測單元12，所述的儲能元件11通過儲能變換器10連接至所述的牽引逆變器6輸入端，所述的儲能元件檢測單元12連接儲能元件11并實時檢測并計算儲能元件11內阻和容量。采用真實的儲能模型而非采用等效的功率源，使得模型在運作過程中產生了儲能器件的溫度變化、充放電流和端電壓的變化的因素，以及儲能元件11在長期使用中壽命衰減的因素，導致的儲能系統的內阻、容量不斷變化，這些變化均真實的反應出來，使得模型接近更接近真實的城軌車輛運作，從而能通過仿真平臺得到更真實的運行數據，也進一步為后續城軌車輛的安全節能性評估提供基礎，提高評估準確性。所述的儲能元件11為超級電容模塊，超級電容能提供瞬時功率變化，保證城軌車輛平穩運行。所述的儲能變換器10為雙向DC/DC變換器，使得儲能元件11能工作在充放電狀態。

所述的城軌車輛動力模型4包括工況輸入單元和牽引計算單元，所述的工況輸入單元用于輸入車輛運行于多種工況時的線路信息，包括發車間隔，其單位為秒(s)，如270s，300s，…，600s，每隔30s作為一個發車間隔的選擇，同時線路信息還包括各個站點之間坡度千分數和所在位置的關系。牽引計算單元計算車輛的實時運行參數，并控制所述的牽引逆變器6工作，從而帶動牽引電機5運作。其中實時運行參數包括車輛編組方式、車輛載荷、控制方式、列車構造速度、基本阻力系數(A、B、C三個)、電機額定功率、變電所參數(空載電壓、等效內阻)和線路參數(等效電阻、等效電感)等。另外，該實施例中環境溫度系數為1.0，海拔高度系數為1.0。

所述的多種工況包括高峰期、低峰期的不同車輛運營間隔下，起動、惰行和制動工況，考慮多種工況下列車運行狀態，尤其是在不同車輛運行間隔下列車運行時 電氣參數的變化，更加符合實際情況，更加具有真實性，對后續城軌車輛節能和安全評估提供更多的數據，使得評估更具有說服力。