无惰行工况的高速列车快速并节能运行控制方法与流程

本发明涉及一种列车控制方法，尤其是涉及一种无惰行工况的高速列车快速并节能运行控制方法。

背景技术：

在轨道交通领域,，对列车节能运行的研究已经积累了大量成果，主要体现在列车微观行为的能耗优化，以及宏观上基于列车时刻表的再生电能利用等两个方面。

针对列车微观行为的能耗优化，基本上多是通过尽可能的延长列车惰行时间来实现节能运行，因为在惰行期间，列车完全依赖轮轨相互作用产生的阻力、坡道或曲线附加阻力，以及空气阻力，来降低运行速度，并未主动性施加牵引力或制动力，故在此期间列车不消耗任何能量，完全靠列车惰行时的初始速度和惯性来驱动自身运行。惰行阶段，一般发生在列车达到自身性能与线路允许的最大速度以后，这样做可以利用列车的强大惯性以较大的速度运行，尽管列车在惰行阶段速度会有所降低，但由于未施加制动力，速度由于列车强大惯性呈现出缓慢降低的特征，因而可以在一定程度上减小惰行对列车运行快捷性的负面影响。显然，列车一达到最大运行速度即开始惰行，并惰行尽可能长的时间，节能效果最为显著。有的研究成果认为列车惰行产生的节能效果是以牺牲列车运行的快捷性为代价，其负面影响不能忽略，并提出列车以最大运行速度匀速运行一段时间后再启动惰行阶段的折中方案。但是，以节能为目的的高速列车惰行阶段的存在，与铁路运输提速的初衷是相悖的。

基于列车时刻表的再生电能利用，乃是通过列车时刻表的精心编制，使得列车进站制动停车和其它列车出站启动加速行为在时空上相互匹配，进站列车产生的再生电能就可以回送电网而被出站列车所直接利用，这样行为时空匹配的列车相距愈近，再生电能回送电网的传输线损就越少。其不足在于：

(1)人口分布和经济发展的不平衡，导致运输任务时空分布、流向、流量的不均衡，因此，编制一个再生电能回收并直接利用的“异常完美”的时刻表，是极其困难的，实际上也是做不到的。

(2)基于列车时刻表的再生电能利用，并不以取消列车惰行为前提，而惰行阶段的存在影响到列车运行的快捷性，因而影响到列车时刻表的编制，二者互为因果，在节能和快捷性方面会坠入循环悖论的陷阱。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无惰行工况的高速列车快速并节能运行控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无惰行工况的列车快速并节能运行控制方法，包括：

步骤s1：取消列车惰行工况，以站间距、具体线路条件和列车性能为约束条件，以时间最短为优化目标建立列车快速运行的目标行为曲线；

步骤s2：高速列车在实际运行中，以快速运行目标行为曲线作为参照，进行列车行为的调整，并在列车开始制动至进站停车期间利用电能储能装置对制动产生的再生电能进行回收、存储，并进行管理和再利用。

所述电能储能装置位于车站中或列车上。

所述步骤s1具体包括：

步骤s11：按照传统高速列车牵引制动特性曲线，建立高速列车区间运行各阶段的能耗差分模型；

步骤s12：基于能耗差分模型计算整个站间区间的高速列车运行能耗和运行时间；

步骤s13：以时间最短为优化目标建立取消惰行工况的列车快速运行的目标行为曲线。

所述列车区间运行各阶段的能耗差分模型：

式中，i为高速列车运行各阶段的编号，ei为第i个阶段的能耗，k为正整数，表示第k个采样周期，fi(k)为列车运行于第i个阶段第k个采样周期内的牵引力或制动力，si(k)、si(k+1)分别为列车在第i个阶段第k个采样周期和第k+1个采样周期起始时的位置坐标，t为采样周期，ti表示列车在第i个运行阶段的行驶时间，＜ti/t＞表示取不大于ti/t的最大正整数。

所述运行能耗e和运行时间t为：

高速列车运行的阶段总数目为6，i＝1，2，3，4，5，6依次表示牵引恒力矩区、恒功率区、匀速运行区、惰行区、制动恒力矩区和停车制动区。

所述方法还包括：

步骤s3，在列车启动加速阶段控制电能储能装置中存储的电能释放并使用。

所述步骤s3具体为：在该列车或其他列车启动加速阶段控制电能储能装置中存储的电能释放并使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)利用电能储存装置可以对列车制动时产生的电能进行储存，并进行管理和再利用，克服了当前再生电能利用过度依赖于列车运行图(或列车时刻表)的编制，实现的可行性低的问题，提高了再生电能利用的灵活性。

2)设计了能耗计算模型，能够针对高速列车不同运行阶段(工况)进行能耗计算，提高了计算的精度，从而为制定再生电能回收、利用、管理和再利用的具体方案奠定了基础。

3)由于取消了惰行工况，相比于当前高速列车运行过程有惰行工况的情形，列车最大运行速度可以在保证快捷性有所提升的前提下略降，以进一步减少列车运行的能耗。

附图说明

图1为本发明的主要步骤流程示意图；

图2为传统的高速列车牵引制动特性曲线；

图3为取消惰行阶段以后高速列车的牵引制动曲线；

图4(a)～(e)为列车节能运行的行为细节与能耗情况示意图；

图5(a)～(e)为列车快速运行的行为细节与能耗情况示意图；

图6为列车行为调整曲线跟踪控制的基本原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

针对当前轨道交通领域，高速列车节能运行微观上主要依靠“惰行”快捷性降低，宏观上主要依靠“列车时刻表编制+再生电能(直接)利用”可行性低的缺陷，提出一种无惰行工况的高速列车快速并节能运行的解决方案，将列车快速运行与再生电能的回收、存储、管理和再利用有机结合起来，达到节能和快捷性综合最优的效果，同时再生电能的利用与列车时刻表的编制相互独立，增加了再生电能利用的灵活性。

一种无惰行工况的列车快速并节能运行控制方法，如图1所示，包括：

步骤s1：取消列车惰行工况，以站间距、具体线路条件和列车性能为约束条件，以时间最短为优化目标建立列车快速运行的目标行为曲线，本步骤以提升高速列车运行的快捷性为目的，为列车快速运行的目标行为进行规划，并提供具体的技术手段和实施途径。

如图2所示，可以看出，传统的高速列车控制中，列车按启动加速至制动停车的完整运行过程，先后经历牵引恒力矩区、恒功率区、匀速运行区(即巡航区)、惰行区、制动恒力矩区(再生制动+空气制动区)和停车制动区(空气制动区)等6个阶段。其中，fa为列车启动加速阶段的恒力矩区的牵引力，fde为列车制动工况下的恒制动力，曲线cd为列车惰行阶段，vc＞vd，也就是说列车在惰行阶段速度是逐渐降低的，其快捷性不断下降。

取消惰行阶段以后，高速列车的牵引制动曲线见图3所示，显然，取消惰行工况后，列车以最大速度vb(＝vc＝vd)运行，直到列车牵引制动特性曲线的d点才开始制动停车，与传统牵引制动特性曲线不同，由于列车在cd阶段没有降低速度，仍然以最大速度运行，当站间距确定的条件下，显然可以更快的到达目的地或下一站。

比较图2和图3，我们还可以发现，cd阶段由惰行改为匀速运行后，该阶段属于牵引工况，即列车需要主动性施加牵引力，克服列车运行阻力，才能保持匀速运行，故需消耗更多的能量。

快捷性实现了，怎么把能耗降下来？对此，需要在列车快速运行目标行为曲线确定后，在列车上线运行前，就预先确定节能方案，具体包括：

步骤s11：按照传统高速列车牵引制动特性曲线，如图2所示，建立高速列车区间运行各阶段的能耗差分模型：

式中，i为高速列车运行各阶段的编号，ei为第i个阶段的能耗，k为正整数，表示第k个采样周期，fi(k)为列车运行于第i个阶段第k个采样周期内的牵引力或制动力，si(k)、si(k+1)分别为列车在第i个阶段第k个采样周期和第k+1个采样周期起始时的位置坐标，t为采样周期，ti表示列车在第i个运行阶段的行驶时间，＜ti/t＞表示取不大于ti/t的最大正整数。

高速列车运行的阶段总数目为6，i＝1，2，3，4，5，6依次表示牵引恒力矩区、恒功率区、匀速运行区(即巡航区)、惰行区、制动恒力矩区(再生制动+空气制动区)和停车制动区(空气制动区)。

步骤s12：基于能耗差分模型计算整个站间区间的高速列车运行能耗和运行时间，其中，运行能耗e和运行时间t为：

步骤s13：以时间最短为优化目标建立取消惰行工况的列车快速运行的目标行为曲线，下面进行站间距约束条件下高速列车能耗与快捷性仿真

以8m8t编组形式的crh380cl型列车为例，列车重量380吨，功率p＝9200kw，最大牵引力fa和制动力均为fde均为520kn，列车定员1015人,区间最高运行速度为300km/h，即图4中的vb＝vc＝300km/h,列车载客900人，旅客人均重65kg。单位基本阻力w0＝0.7750+0.006364013v+0.000115135v²，v的单位为km/h，w0的单位为n/kn。列车运行于某平直线路,站间距l＝80km。面向快捷运输和节能运行的列车行为优化数学模型为

j1＝min(t)

j2＝min(e)

图4(a)～(e)列车节能运行的行为细节与能耗情况，图5(a)～(e)则描述了列车快速运行的行为细节与能耗情况。

图4和图5是高速列车节能和快速运行的两个极端。图4所示的列车节能运行情况，列车加速运行以后，以最大速度300km/h匀速运行的时间几乎为0，基本上一达到最大运行速度即开始惰行，能耗虽小，但列车在速度上的卓越性能未充分发挥出来，需要2250s(约37.50min)跑完80km站间行程，快捷性体现未能充分体现出来；而图5所示列车快速运行的情形，惰行时间几乎为0，只需花不到1200s(20min)即跑完80km站间行程，实现了快捷运输，但总的运行能耗较大，这是高速列车取消惰行工况的一种情形。比较图4、5(d)，可以看出，图4中列车节能运行的制动能耗占比很小，而图5中列车快速运行的制动能耗则占比很大。在工程上，图4的情形再生电能的利用价值远逊于图5所示的情形，甚至已经失去再生电能回收再利用的工程价值。因此，本发明专利实现高速列车节能与快速运行的解决方案可以确定为：无惰行工况的列车快速运行，辅以再生电能的回收再利用。

步骤s2：高速列车在实际运行中，以快速运行目标行为曲线作为参照，进行列车行为的调整，并在列车开始制动至进站停车期间利用电能储能装置对制动产生的再生电能进行回收、存储，并进行管理和再利用。

允许列车在快速运行目标行为曲线的邻域内根据实际情况进行微调，也允许根据突发性紧急情况不受快速目标行为曲线的约束。但是，正常情况下，列车行为必须以快速运行目标行为曲线作为自身行为调整的准绳，误差愈小愈好。图6描述了列车行为调整曲线跟踪控制的基本原理。

在列车开始制动至进站停车期间对再生电能进行回收、存储、管理，在自身或其它列车出站启动加速阶段对存储的再生电能再按需加以利用，再生电能的利用与列车时刻表的编制相互独立，增加了再生电能利用的灵活性，电能储能装置作为再生电能的回收、存储、管理(、释放)装置。

再生电能的回收、存储、管理(、释放)装置，可放置于车站或列车上。如果再生电能的回收、存储、管理(、释放)装置放置于车站，可在该站该列车或其它列车出站启动加速阶段，经请求、同意后，再将存储的电能释放给其使用，从而节约电能；如果再生电能的回收、存储、管理(、释放)装置放置于列车，该列车自身或其它列车在出站启动加速阶段可提出利用再生电能的请求，经同意后再加以利用，以达到节约电能的目的。