现代城市储能式有轨电车运行建模与仿真研究 现代城市储能式有轨电车运行建模与仿真研究
杨 奇，胡文斌，余 轩，孙天骁，陈嘉诚
摘 要：研究基于“接触网+超级电容”为动力源的储能式有轨电车运行仿真系统。通过对超级电容储能式有轨电车进行建模、计算及运行分析，给出了仿真系统软件架构及各功能模块，并利用Qt软件开发该储能式有轨电车运行仿真系统，通过现场实验数据对仿真结果的有效性进行验证。
关键词：超级电容；运行仿真系统；能量管理；储能式有轨电车
0 引言
基于超级电容为车载储能的城市储能式有轨电车具有运量大、运行可靠、成本低、节能环保等特性，拥有广阔的研究与应用前景[1]。
随着计算机仿真软件在轨道交通领域的广泛应用，国内加强了对混合动力车运行仿真系统的研究与开发。文献[2]介绍了基于“接触网+车载储能装置”为动力源的混合动力城轨列车运行仿真系统的功能框架。文献[3]介绍了基于能量管理策略的混合动力电车运行仿真系统。文献[4]基于面向对象的思想，对混合动力列车运行仿真平台开发进行阐述。文献[5]在深入分析现代有轨电车牵引特性和供电仿真的基础上，对运行仿真平台进行结构化设计。
本文针对储能式有轨电车电力牵引运行的特点，以基于“接触网+超级电容”为动力源的储能式有轨电车为研究对象，设计一套基于超级电容储能的有轨电车运行仿真系统，介绍该仿真系统以及各个功能模块，进行牵引计算，运用Qt软件进行系统开发和实现，并以一段基于“接触网+超级电容”为动力源的储能式有轨电车试验线路数据为基础进行验证。
电动汽车空调系统的智能化设计主要还是围绕着“绿色节能”政策来展开，与传统汽车不同的是，新能源汽车在ECU 电控系统中加入了“变排量控制”系统，有效提高了电动汽车空调系统的智能化建设。在车内的应用中，新能源汽车结合了家电系统中常用的交流变频电动压缩机，利用“变频控制”的原理强化新能源汽车空调系统的智能化控制技术。除此之外，电动汽车空调系统智能化的发展还可以利用热泵技术，实现对电动汽车压缩机的有效控制，减少能耗。还有就是热交换原理的应用，将新能源汽车中空调制冷时损失的热能进行智能化应用，一方面能够减少汽车在续航时的发电机的负担，还能有效提高智能空调系统的工作效率。
张翼等从青岛海水和武汉南湖水中筛选分离出11株小球藻和1株胶网藻[12]，黄秋婷等从吉林工学院荷花池中筛选分离出4株栅藻和1株小球藻[13]。本研究从华南理工大学校内东湖中筛选分离到6株绿藻，18S rDNA鉴定结合采样点筛选分离结果表明这6株微藻分别属于小球藻属与株栅藻，其中 DH1、DH6和DH3分别筛自采样点1表层水样和底层水养，DH4和DH2、DH5分别筛自采样点2表层和底层水养，不同取样点的筛选结果差异可能与不同藻株的生长习性有关。
1 列车运行仿真系统计算模型
1.1 牵引力计算
列车牵引力是由牵引电动机产生的内力经由动力传动装置传递到钢轨后得到的钢轨对机车的反作用力[6]，其值受到电机牵引特性和列车黏着牵引力双重限制。因此，t时刻机车牵引力可表示为
Tt = uf min{Fm, f(v, Et) } （1）
式中，uf为列车牵引力使用系数，其取值在0与1之间；f(v, Et)为列车牵引特性函数；v为列车运行速度，km/h；Et为t时刻列车所在处的牵引网网压，V。Fm为制动黏着力，其理论计算式为
“综合与实践”课的教学在培养学生综合运用所学知识解决问题的同时，也是对教师学科核心素养的考量.正如《课标》指出的：“在‘综合与实践’实施过程中，教师要注意观察、积累、分析、反思，使该实施成为提高教师自身和学生素质的互动过程.”[4]通过对国培中“制作一个尽可能大的无盖长方体形盒子”这一课题学习题目的解法研讨，不觉引发了关于农村初中数学教师课题学习有效教学的几点思考.
Fm = Pfmj （2）
式中，Pf为机车黏着重力，kN；μj为黏着系数，牵引过程中其经验计算式为
保障患者医疗安全是医生工作的核心。行日间手术的患者因住院时间短，相较于普通住院患者手术风险增大。为最大限度保障其医疗安全，严格的围术期评估及术后随访显得格外重要[3,11]。笔者在实践中不断进行经验总结，逐渐制作出若干个评估量表，对患者进行麻醉前病情评估 、进入手术室后二次病情评估、患者离开麻醉恢复室(PACU)或手术室指征评估、患者离院指征评估(PADS)、患者离院后24h及48h内随访评估等，以期对患者进行闭环管理，及时发现问题并将其消灭在萌芽之中，切实保障其围术期医疗安全，真正实现“手术是治病，麻醉是保命”的行医宗旨。
mj = 0.24 +
（3）
图1所示为某列车牵引特性曲线。由图可知，列车牵引特性分为恒力区和恒功区。在恒力区，列车牵引力基本保持恒定且受到列车黏着牵引力的限制[7]；在恒功区，列车牵引力随速度的提高而降低，但列车的功率基本保持恒定。
1.2 制动力计算
通常，列车制动以再生制动为主，以空气制动为辅[6]，可以最大程度减少能源的浪费。再生制动回收制动能量并将能量回馈到超级电容中，减少了总能量消耗，因而得到了广泛的应用。t时刻列车电制动力Bt为
Bt = ub min{Fm, b(v, Et) } （4）
式中，ub为列车制动力使用系数，取值在0到1之间；b(v, Et)为列车再生制动特性函数；Fm为制动黏着力，此时黏着系数mj计算式为
mj = 0.062 4 +
（5）
图1 列车牵引特性曲线
1.3 列车阻力计算
列车运行过程中受到的阻力主要包括基本阻力和附加阻力。基本阻力计算式为
Rr(v) = A +Bv + Cv2 （6）
式中，A、B、C为常数（依列车车辆类型而异）。
列车附加阻力由坡道阻力、弯道阻力和隧道阻力构成[8]，计算式为
wj = wi + wr + ws = i + 600/R （7）
式中，
为坡度千分数，
为弯道半径。
1.4 超级电容计算
超级电容能量计算式为
Q = Q0-Pc×Dt （8）
式中，Q为超级电容当前能量，kW·h；Q0为超级电容上一仿真步长能量，kW·h；Pc为超级电容当前功率；Dt为仿真步长。
16个批次紫荆叶提取物对酪氨酸酶活性的抑制率测定结果见表1。由表1可见，不同批次紫荆叶提取物的酪氨酸酶活性抑制率存在明显差别；总体上看，其质量浓度越高，对酪氨酸酶活性的抑制作用越强，但其质量浓度与酶活性抑制率不呈线性相关性。
超级电容当前开路电压计算式为
（9）
式中，UOCV0为超级电容上一仿真步长电压，V。
超级电容的SOC（荷电状态）为
逻辑层：主要包括2个子模块，牵引解算模块主要完成列车运动学的计算；能量管理模块根据列车实时牵引或制动力和速度计算运行需求功率，按照设定规则对功率进行分配。
SOC =
×100% （10）
式中，SOC表征荷电状态，即剩余电量；Qn为超级电容额定能量，kW·h。
2 储能式有轨电车系统运行分析
本文研究的储能式有轨电车由接触网及超级电容作为动力电源为列车运行提供能量，通过牵引传动系统驱动列车运行。列车动力系统结构如图2所示。
图2 储能式有轨电车动力系统结构
当列车驶出车站运行于无接触网区段时，超级电容储能装置向列车供给能量，确保列车稳定运行；当列车运行至车站停车时，车站的直流接触网对超级电容进行快速充电；当列车处于制动工况时，产生的再生制动能量按照一定的分配策略回馈到超级电容，从而实现制动能量的回收。综上所述，储能式有轨电车较普通列车具备多种能量流动方式[9]，在运行仿真系统开发过程中，需要建立合理的储能式有轨电车解算模型，并给出适合的能量管理策略，以准确模拟储能式有轨电车的运行过程。
3 储能式有轨电车运行仿真系统软件框架
储能式有轨电车运行仿真系统根据其开发目的与实际设计需求，遵循面向对象的编程思想，使用Qt软件进行编写，通过一个主控界面实现各模块的切换和调用。拟采用显示层、逻辑层和数据层3层架构模型对储能式有轨电车运行仿真系统进行框架设计。仿真系统软件功能框架如图3所示。
显示层：实现用户与系统交互的仿真参数（包括列车、线路、运行控制等）设置和仿真结果反馈。
回顾性分析6月至6月间在本院接受治疗的头颈部神经内分泌癌活检或手术标本66例，其中男性48例，女性18例，平均年龄(60.7±8.4)岁，6例为鼻神经内分泌癌(左侧鼻腔2例，右侧鼻腔4例)、12例为鼻窦神经内分泌癌(5例右侧鼻窦，7例左侧鼻窦)、42例为喉神经内分泌癌(喉声门下14例，声门上28例)、6例为口咽神经内分泌癌(1例左侧扁桃体，5例右侧扁桃体)，其中出现远处转移12例，淋巴结转移18例。选取同期在本院接受治疗60例声带息肉患者作为对照组，其中男性34例，女性26例，平均年龄(55.8±8.6)岁。
在建筑工程中应用新型的绿色节能技术不仅仅可以提升土地资源、水资源的利用效率，也可以降低污染，提升生产质量，这也是建筑行业今后发展的重点。在这方面，以下是对建筑项目中新绿色节能技术的以下应用的简要介绍，具体如下：
数据层：通过对仿真所需基础数据的储存，为各逻辑层的仿真运算提供数据支持，并将逻辑层完成仿真计算的结果储存于其中，以便后续分析。
图3 储能式有轨电车运行仿真软件功能架构
4 系统运行仿真验证与分析
4.1 仿真参数及线路数据
以南京市麒麟线部分基于超级电容为车载储能系统的有轨电车为例，进行系统仿真与验证。
列车的相关参数如表1所示，列车牵引电机参数如表2所示。仿真截取一段上行有轨电车线路的部分数据，截取线路全长4.94 km，共设6个车站（ST1～ST6），区间为无网段，列车停靠车站时，车站接触网给超级电容充电。
表1 列车相关参数
参数数值 整车质量/t48 动车数量2 逆变器效率/%95 最高牵引电压/V900 单位质量启动阻力/kN37.2 拖车转动惯量0.1 能量回收系数1 牵引最大黏着系数0.2 制动最大黏着系数0.2
表2 牵引电机参数
参数数值 最大速度/(km·h-1)70 最大牵引力/kN88 最大制动力/N1 800 牵引恒压点速度/(km·h-1)36 牵引降功点速度/(km·h-1)60 制动恒压点速度/(km·h-1)39.6 制动降功点速度/(km·h-1)70
4.2 仿真结果分析
列车运行参数仿真曲线如图4所示。
从表中可见：煤质有益指标剔除夹矸影响外，随埋深的增加而增高。煤的灰分、水分、挥发分和含硫量较低，而固定炭和发热量较高，煤质颇佳。
图4 列车运行参数仿真曲线
通过该仿真系统可以得到列车运行功率、列车运行速度、超级电容SOC、超级电容电流、超级电容功率等曲线。该仿真系统还可以显示有轨电车在运行过程中的位移、运行阻力、电机转速等参数。通过超级电容的用电过程显示，能够根据能量管理规则实现超级电容充电放电，通过运行结果统计参数可以直接得到列车运行时间、能耗等数据，大大提高数据处理的工作效率。
5 结语
本文以新型城市轨道交通储能式有轨电车为研究对象，对基于超级电容为储能的有轨电车进行数学建模和仿真研究，详细分析了仿真系统的各个功能模块，介绍了牵引解算方法、能量管理策略以及超级电容解算方法等，并利用Qt框架进行仿真系统开发；在给定储能式有轨电车参数和线路数据的基础上，利用该系统进行仿真运行并输出相关曲线，验证了该仿真系统的有效性。
参考文献：
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[3] 杨继斌. 多能源混合动力有轨电车能量管理研究[D]. 西南交通大学，.
[4] 杜昕. 考虑能量管理的混合动力列车运行优化策略研究[D]. 西南交通大学，.
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[7] 王栋，刘炜，李群湛，等. 现代有轨电车运行仿真系统的开发与应用[J]. 电源技术，，40（10）：2040-2043.
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[9] 石红国，彭其渊，郭寒英. 城市轨道交通牵引计算模型[J]. 交通运输工程学报，，5（4）：20-26.
Abstract: Study is made for the operation simulation system of energy storage tram with “OCS + super capacitor” as the power source. Software structures and various function modules of the simulation system is obtained after modeling, calculation and operational analysis for super-capacitor energy storage tram, and operational simulation system of energy storage tram is developed as well by application of Qt software. The effectiveness of the simulation results is verified by the experimental data obtained at site.
Key words:Super-capacitor; operational simulation system; energy management; energy storage tram
中图分类号：U239.5
文献标识码：A
文章编号：1007-936X()03-0072-03
DOI：10.19587/ki.1007-936x..03.018
收稿日期：-01-30
作者简介：杨 奇.中车南京浦镇车辆有限公司，高级工程师；
胡文斌.南京理工大学，副教授；
余 轩，孙天骁，陈嘉诚.南京理工大学，硕士研究生。
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