城市轨道交通列车蓄电池应急牵引优化控制技术研究

When the urban mass transit vehicle lost external power supply, the train can be propelled by on board storage battery to the next station. Such novel storage battery emergency traction scheme plays an important role in the emergency rescue. However, the operation speed and distance in emergency traction mode is restricted by the capacity of on board battery. Optimization and energy conservation control scheme of the system should be developed for the improvement of emergency rescue performance, which are the key challenges for the battery emergency traction scheme. The traction system characteristic in emergency traction mode is rather different to the normal mode due to that the cooling fan of the traction inverter will stop running in emergency mode. Furthermore, the optimization control scheme should be developed on the basis of analysis of system characteristic. The corresponding theoretical issues and control scheme, which includes dynamic efficiency optimization control and nonlinear programming of the battery energy, haven't been thoroughly researched. This project is subject to research of the optimization control of storage battery emergency traction of urban mass transit vehicle. Firstly, coupled electrical-thermal-mechanical analysis model is developed to analyze the system characteristic in emergency traction mode. Then dynamic efficiency optimization control scheme will be thoroughly researched. Finally, optimization control scheme of the traction system will be developed to reduce the energy consumption and rescue duration. The accomplishment of this project will lay a solid foundation for the development of the new generation high performance urban mass transit vehicles.

城轨交通列车应急牵引是指车辆在失去外部供电条件下，依靠车载蓄电池驱动列车运行至站台等安全区域，是列车新型高效故障导向安全技术之一。然而受蓄电池容量限制，列车运行速度低、距离短，如何通过优化节能控制提高列车应急牵引运行距离、缩短旅客疏散时间是亟待解决的技术难题。应急牵引系统工作模式存在诸多特殊性，如变流器处于自然冷却状态等，因此系统工作特性分析是优化控制研究的基础。此外，系统优化控制涉及电机动态效率优化、蓄电池能量优化分配等诸多技术难题，相关理论问题尚未得到深入研究。本课题拟对城轨列车蓄电池应急牵引优化控制技术展开研究，首先建立系统机、电、热一体化分析模型，对应急牵引系统工作模式及特性进行深入分析，在此基础上研究电机动态效率优化控制及蓄电池能量非线性规划优化分配方法，进而分别从单位距离能耗最低及时间最短等优化目标入手展开系统优化控制策略研究。相关研究成果将为新一代城轨车辆研制提供理论依据。

传统的城市轨道交通车辆当供电系统故障发生时，现有的应急救援机制主要采用外部救援车将故障车牵引至附近站台，这种方式对线路运营影响较大。城轨列车蓄电池应急牵引是指外部供电故障时，依靠蓄电池车载储能单元为牵引变流器短暂供电进而驱动列车运行至安全区域。车载蓄电池单元主要用于为列车照明、门控系统提供应急供电，其工作特性与电机牵引特性严重不匹配，应急牵引运行距离及运行时间受蓄电池单元容量等特性制约较大。应急牵引系统工作模式存在诸多特殊性，如变流器将处于自然冷却状态等，因此一体化的系统分析和优化配置及控制是提高应急牵引性能的关键所在。. 本项目首先建立了城轨列车蓄电池应急牵引系统机、电、热一体化分析模型，对应急牵引工况下变流器电热特性、电机损耗特性等系统工作特性进行了深入分析，并对牵引变流器和蓄电池箱的组合模式进行优化，优化后的牵引系统配置在提高变流器输出能力的同时，可匹配蓄电池输出特性和变流器自然散热特性。. 针对城轨车辆牵引运行模式提出模型法离线搜索寻优方法与在线查表相结合的动态效率优化控制策略，从而实现不同运行工况下的电机动态效率优化节能控制。针对典型限速值下的最远运行距离、特定应急牵引距离下最短运行时间两个典型优化目标，分别提出了对应的能量非线性规划优化分配方法及对应的牵引电机控制策略，针对6编组A型车的仿真计算结果表明所提出的策略可将车辆应急牵引运行距离提高60%以上，特定距离救援时间可缩短14%以上。针对所提出的优化控制策略，在异步电机对拖试验平台上进行了模拟试验研究，在等效运行距离相同情况下，通过优化控制策略可使蓄电池输出电压提升5%以上。仿真和模拟试验结果证明所提出控制策略可有效提高急牵引运行距离，缩短应急救援时间。上述分析模型及控制策略已在动车组列车应急牵引系统项目中得到应用。同时为应急牵引系统在现有城轨列车系统中的应用奠定基础及新一代高性能城市轨道交通车辆的研制提供依据。