地铁列车能耗分析

地铁列车能耗分析

摘要: 通过对广州地铁一号线列车在正常运营时牵引系统能量消耗的分析, 表明: 目前地铁列车再生反馈制动的节能效果明显, 在运营行车密度足够大的情况下, 通过制动电阻消耗的能量是很有限的。

关键词: 地铁列车; 能耗; 反馈制动; 制动电阻; 节能

0 引言

近年来, 随着我经济水平的迅猛发展, 各主要城市地铁事业正在迅速发展, 在未来的几年我国将会有更多的地铁线路和更多的地铁列车投入运营。便利的城市轨交通为市民的出行带来了极大便利的同时, 也带来了电能消耗的迅速增加。众所周知, 现代经济的迅速发展必须依靠能源, 而我国又是一个能源相对比较缺乏的国家。因此, 研究地铁列车的能源消耗情况, 分析并研究地铁列车节能途径是一件迫在眉睫的工作。

1 地铁列车反馈制动的使用

城市轨道交通列车的特点就是线路的站间距短, 列车运行时频繁地起动、制动, 就广州地铁而言, 现有线路基本上在列车达到最高速时很快就会制动。同时, 为了让列车能够准确地按照运行图来运行, 城市轨道车辆在

ATO( 自动驾驶) 模式下都是采用巡航方式来运行。目前,我国地铁列车大都采用接触网 / 轨直流供电, 牵引系统大都是变压变频的交流传动系统。列车牵引时从电网吸收能量, 制动时采用反馈制动把制动能量反馈回电网, 当电网电压升高到一定程度( 1 800 V) 时采用电阻制动。基于地铁车辆快速起动、快速制动、全线以精确的预设速度运行的特点, 列车在起动时会消耗大量的电能, 在制动时就必然要产生相当大的制动能量。反馈制动把动能转化为电能送入电网供其它列车使用, 这极大地降低了列车的实际能量损耗。

但是, 由于列车运行图及整个线路多种因素的影响,列车配置了制动电阻来消耗列车制动时线路其它列车不能吸收的制动能量。广州地铁现有 4 条地铁线路, 制动电阻的使用情况如表 1 所示。

而制动电阻的使用有以下弊端: 1) 制动电阻消耗电能, 制动能量被浪费; 2) 有强迫风冷的制动电阻, 列车必须提供强迫风, 这也是一种电能的浪费; 3) 车载的制动电阻增加了列车重量, 同时增加了列车的造价; 4) 制动电阻发热对列车其它设备和隧道内其它设备造成影响。

基于以上使用制动电阻弊端的考虑, 近年来有人提出了采用超级电容的方案来代替制动电阻。而且超级电容也分车载和地面放置两种方案来考虑。对于地铁列车有没有必要采用超级电容, 笔者认为需要从节能效果和制造维修成本等方面来考虑。为了能够得到比较准确的列车能量消耗的数据, 我们对广州地铁一号线列车在正常运营时的能量消耗情况进行了测量。通过对测量数据的分析, 明确了广州地铁一号线列车能耗的实际情况, 为综合考虑地铁列

车节能方案提供依据。

2 数据的采集

2.1 数据采集的时间( 见表 2)

由于城轨列车在运营的不同时段列车间隔是不同的, 而不同间隔下列车制动时反馈电能被其它列车吸收的情况也可能不同。因此, 我们测量了列

车分别在高峰和低峰运行下的能量消耗。

广州地铁一号线列车牵引控制单元( DCU) 信号处理板上有相应信

号测量的接口, 这为我们此次测量带来了极大的方便, 表 3 中 A327 指的是DCU 的一块信号处理板, PB115 指的是测量接口。由于我们所采集的这些信号

最终是用来进行列车控制矢量计算的信号, 此处取得的信号值是非常准确的。

因此不考虑测量误差。

3 计算采用的概念

鉴于此前我们并没有看到完全针对地铁列车能量消耗进行的测量、计算和分析, 因此, 本文定义以下几个概念, 主要目的是为了能够完全清晰地

描述列车能量的消耗情况。

1) 列车牵引系统输入能量: 列车在区间运行时牵引系统从电网取

得的总电能, 其值是运行时间内对电容电压和正向线电流乘积的积分。

2) 再生制动馈入电网电能: 列车在区间运行时通过再生制动反馈

进电网的能量, 其值是制动时间内对电容电压和反向线电流乘积的积分。

3) 制动电阻能耗: 制动斩波相开通时在制动电阻上消耗的能量,

其值是制动时间内对电容电压和斩波相电流乘积的积分。

4) 列车实际牵引电能: 列车在区间运行时牵引系统实际消耗的电能。列车实际牵引电能 = 列车牵引系统输入能量 - 再生制动馈入电网电能。

简要地说, 在列车牵引期间, 列车从电网吸收了能量, 这就是“列车牵引系统输入能量”; 列车在进行制动时, 在电制动满足列车制动要求的情

况之下, 列车向电网反馈了电能, 这部分电能就是“再生制动馈入电网电能”;在列车制动期间, 当电网电压由于列车反馈制动的原因升高到 1 800 V 以上时, 列车不能再继续进行反馈制动,此时, 列车制动电阻投入使用, 在制动电阻上消耗的电能就是“制动电阻能耗”; 列车在正线运营期间, 不管电能是列车加速

时消耗的, 还是制动期间消耗在了制动电阻上,对电网而言, 都是对电能的消耗, 因此我们定义一个“列车实际牵引电能”的概念。从电网对列车的能耗输出这

一角度来看“,列车实际牵引电能”包括了“制动电阻能耗”。

为了能够对列车在区间运行时电能的去向有一个比较直观的认识, 我们采用以下两个概念进行分析。

1) 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率

其表达公式如下:

再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的

地铁列车在加速牵引时牵引系统会有大量的电能转换为列车动能, 而在制动时也会有相当一部分列车动能通过牵引逆变器的转换以电能的形式反馈回电网。通过对“再生制动馈入电网电能”和“列车牵引系统输入能量”两个量进行定量的比较分析, 我们可以直观的认识到列车牵引时牵引系统吸收电网电能转化为列车动能再在制动期间把列车动能转化为电能的这一过程中能量的转移、消耗情况。

对电网而言,“列车牵引系统输入能量”不是真正的消耗, 列车实际牵引电能才是对电网电能的真正消耗, 也就是说“:列车牵引系统输入能

量”剔除了“再生制动馈入电网电能”这一部分, 它才是列车牵引系统对电网电能的真正消耗, 即“列车实际牵引电能”。

2) 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率,

其表达公式如下:

制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率 =

列车牵引系统在加速牵引阶段吸收了电网大量的电能, 在反馈制动阶段向电网反馈了部分电能。除此之外,从电网的角度来看, 没有能够反馈回电网的电能全部被列车吸收了, 这一部分就是以上所说的“列车实际牵引电能”。但是, 对列车本身而言, 这部分电能大多都用于列车加速牵引、惰行、制动等各运行阶段整个系统的消耗上,如轨道的阻力、风阻、整个牵引系统( 牵引逆变器、牵引电机、线路) 热能消耗、能量形式转换过程中的能量损失等,以上这些能量的消耗与列车行驶的线路、整个线网的运行状态有关, 同时也与列车牵引系统的效率有关, 在此我们不作详细分析。

“列车实际牵引电能”还有一少部分是当电网电压升高到 1 800 V 以上时, 列车制动电阻投入使用, 此时的“制动电阻能耗”有助于我们定量分析讨论列车制动电阻的价值所在, 因此我们通过“制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率”来定量讨论“制动电阻能耗”。

4 能耗测试数据

广州地铁一号线是 6 节编组, 4 个动车 2 个拖车。考虑到一列车4 个动车的牵引系统完全相同, 本次测量仅采集一个动车的牵引系统的信号。

通过对测量数据的计算, 我们得到列车在高峰期间各区间运行时的能量消耗情况, 其汇总表见表 4 与表 5,表中区间号是从始发站开始依次排序。高峰期间, 列车上行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.524, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.083 4; 列车下行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.496, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.000 8。

表 6 与表 7 是低峰期间列车在各区间运行时的能量消耗情况的汇总表。低峰期间, 列车上行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.47, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为

0.000 9; 列车下行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率