城市軌道交通車輛運(yùn)行節(jié)能方法優(yōu)化

侯 躍 楊 儉 宋瑞剛 李 娜

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院 上海 201620)

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市軌道交通以穩(wěn)、快、準(zhǔn)等特點(diǎn)受到人們的青睞。城市軌道交通將在我國城市公共交通運(yùn)輸中占有越來越重要的地位，其列車對(duì)仿真的要求也越來越高。然而，我國城市軌道交通的建設(shè)剛剛起步，牽引計(jì)算理論的研究和節(jié)能算法的研究成果都比較少，因此現(xiàn)有軌道車輛的運(yùn)行特性曲線并不一定是最優(yōu)的運(yùn)行特性曲線，列車的運(yùn)行能耗也并不一定是列車運(yùn)行的最佳能耗。

城市軌道交通的運(yùn)行具有區(qū)間距離短、啟動(dòng)和制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，而制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的能量有很大一部分消耗在制動(dòng)電阻上，所產(chǎn)生的熱量散發(fā)到地鐵隧道內(nèi)和空氣中，使隧道內(nèi)溫度逐年升高，給列車的運(yùn)行帶來諸多的安全隱患，同時(shí)造成了大量能量的浪費(fèi)。在國家大力號(hào)召節(jié)能環(huán)保的趨勢下，列車的運(yùn)行節(jié)能勢在必行［1］。

筆者以上海地鐵2號(hào)線的測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在城市軌道交通節(jié)能運(yùn)行的理論基礎(chǔ)上優(yōu)化研究，并將得到的仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了方法的有效性。

1 上海地鐵2號(hào)線的列車參數(shù)和線路條件

1.1 上海地鐵2號(hào)線的列車參數(shù)

上海地鐵2號(hào)線所有車輛是在德國AEG-Welting-House公司牽頭下，由德滬地鐵集團(tuán)(GSMG)設(shè)計(jì)制造的。車輛共有A、B、C 3種類型:A為帶司機(jī)室的拖車，B為帶受電弓的動(dòng)車，C為動(dòng)車。接觸網(wǎng)的電壓額定值為DC 1500 V，電壓變動(dòng)范圍的最大值為1800 V，最小值為1000 V。6節(jié)編組是最小運(yùn)營單元，即按A－B－C－CB－A組合方式聯(lián)掛;客流量大時(shí)則采用8節(jié)編組，即按A－B－C－B－C－C－B－A組合方式聯(lián)掛［2］。

每輛動(dòng)車上都裝有1臺(tái)兩點(diǎn)式電壓型逆變器，將架空的1500 V直流電以變壓變頻(VVVF)模式轉(zhuǎn)為三相交流電，同時(shí)為4臺(tái)牽引電機(jī)提供電能。列車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示［3］。

表1 上海地鐵2號(hào)線列車主要技術(shù)參數(shù)(6節(jié)編組)

1.2 上海地鐵2號(hào)線的線路分析

上海地鐵2號(hào)線從淞虹路站至張江高科站，線路全長25.2 km，運(yùn)營間隔為3 min，沿途共設(shè)17個(gè)站，有32列車，編組方式有6節(jié)編組和8節(jié)編組，由于測試車輛采用的是6節(jié)編組的列車，因此在下文中的列車編組默認(rèn)為6節(jié)編組，即A－B－C－C－B－A，最大行駛速度為 80 km/h［4］。

選擇有代表性的區(qū)間來分析實(shí)際線路條件對(duì)列車運(yùn)行的影響:上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站，兩站間距離為1454 m，在列車的實(shí)際運(yùn)行中總存在電阻制動(dòng)，實(shí)際線路條件如表2所示。其中坡度前面的正負(fù)號(hào)分別表示上坡和下坡。

表2 上海科技館站—世紀(jì)公園站線路條件

2 城軌列車節(jié)能方法優(yōu)化研究

在城軌列車的運(yùn)行過程中，實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)是非常復(fù)雜的，因此，為了便于計(jì)算，可根據(jù)具體的需要建立多種運(yùn)行策略(即計(jì)算時(shí)所采用的算法基礎(chǔ))。下面首先介紹列車運(yùn)行時(shí)的3種最典型的牽引運(yùn)行策略，如圖1所示。

圖1 3種典型的牽引運(yùn)行策略

從圖1可以看到，節(jié)時(shí)算法的運(yùn)行過程如A—S1—S2—B曲線所示，節(jié)能算法的運(yùn)行過程如A—S3—S4—B曲線所示，混合優(yōu)化算法的過程如A—S—B曲線所示。

此外，還有一種是定時(shí)牽引的運(yùn)行策略，即在列車的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)要求列車準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)所采用的最節(jié)能的運(yùn)行模式。列車啟動(dòng)時(shí)，按最大的加速度啟動(dòng)，制動(dòng)時(shí)以最大減速度制動(dòng)，中間過程，采用牽引和惰性相結(jié)合的策略運(yùn)行［5］。

2.1 節(jié)時(shí)算法

在列車的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，要求列車的運(yùn)行時(shí)間最短，即列車按照以下原則運(yùn)行:列車啟動(dòng)時(shí)，按最大的加速度運(yùn)行，達(dá)到最大速度時(shí)保持最大速度惰行;當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，采用最大的減速度制動(dòng);在限速的路段則采用限速的最大值(圖1中的vup)勻速行駛。

2.2 節(jié)能算法

在列車的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，要求列車的運(yùn)行能耗最少，即列車按照以下原則運(yùn)行:列車啟動(dòng)時(shí)，按最大的加速度啟動(dòng)到經(jīng)濟(jì)限速;中間過程采用盡可能的勻速狀態(tài)或惰行狀態(tài)運(yùn)行;進(jìn)站階段則以最大制動(dòng)力運(yùn)行。若不限制時(shí)間時(shí)，列車運(yùn)行的速度越小，則能耗也就越小。另外，列車的運(yùn)行速度波動(dòng)越小，則能耗就越低。因此，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行策略為:在給定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，采用最大的加速度運(yùn)行至經(jīng)濟(jì)的速度(圖1中的速度vL)時(shí)，保持勻速運(yùn)行。如果時(shí)間足夠則可采取惰行直到終點(diǎn);如果時(shí)間不夠，則惰行一定距離后，采取最大的制動(dòng)減速度制動(dòng)。

2.3 混合優(yōu)化算法

列車牽引運(yùn)行的混合優(yōu)化算法是將上面兩種算法相結(jié)合，既考慮速度，又兼顧節(jié)能，這是一種比較優(yōu)化的算法模型。在城市軌道交通列車運(yùn)行的過程中，既要考慮乘客的舒適度，又要考慮列車的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，即列車的運(yùn)行能耗問題。

通過對(duì)上海地鐵2號(hào)線的分析可以知道，列車在實(shí)際運(yùn)行過程中存在兩次制動(dòng)過程，因此分別采用一次制動(dòng)和兩次制動(dòng)的方式進(jìn)行計(jì)算。節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行的算法基礎(chǔ)是:列車在牽引階段，按照最大的牽引加速度運(yùn)行;列車制動(dòng)時(shí)，按照最大的制動(dòng)力制動(dòng);中間過程一般采用惰性和牽引相結(jié)合的運(yùn)行策略。

3 結(jié)果分析

3.1 仿真計(jì)算結(jié)果

選擇上海地鐵2號(hào)線科技館站—世紀(jì)公園站作為計(jì)算的區(qū)間，區(qū)間內(nèi)存在電阻制動(dòng)。本計(jì)算基于車輛滿載運(yùn)行條件下，確定線路條件和列車參數(shù)之后進(jìn)行計(jì)算分析，分別得到列車在3種運(yùn)行策略下時(shí)間、速度、距離、能耗(實(shí)際能耗)之間的關(guān)系，如圖2所示。

3.2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果

城軌列車在不同的區(qū)間運(yùn)行時(shí)，由于線路條件不同致使反饋回電網(wǎng)的能量與實(shí)際消耗的能量也會(huì)不同，所以對(duì)正常運(yùn)行下的滿載列車能耗進(jìn)行了測試。

圖2 上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站計(jì)算結(jié)果

上海地鐵2號(hào)線列車普遍采用AC02型電動(dòng)列車［6］，為了研究這種列車電阻制動(dòng)的效果，需要測試列車在不同工況下(牽引、制動(dòng))線路電壓、線路電流、制動(dòng)電阻電流的具體情況。因此，對(duì)1節(jié)動(dòng)車的接觸網(wǎng)電壓、中間電壓、牽引電流、電阻制動(dòng)電流及車輛運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩(4臺(tái)電機(jī))和速度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站測試結(jié)果

當(dāng)列車運(yùn)行在有電阻制動(dòng)的區(qū)間時(shí)，電網(wǎng)電壓、中間電壓、牽引電流和制動(dòng)電流的關(guān)系如圖3(a)所示。隨著電機(jī)的牽引耗能，列車不斷從電網(wǎng)吸收電能，電網(wǎng)的電壓和中間電壓均有下降的趨勢，當(dāng)牽引電流接近最大牽引電流時(shí)，電網(wǎng)電壓明顯減小，從1600 V左右降到1400 V左右，然后隨著牽引電流的逐漸減小，電網(wǎng)電壓趨于平穩(wěn)。當(dāng)電機(jī)的牽引電流變?yōu)樨?fù)值后，電網(wǎng)的電壓由于再生制動(dòng)的反饋電能出現(xiàn)了上升趨勢，隨著再生制動(dòng)的持續(xù)，電網(wǎng)電壓會(huì)繼續(xù)抬升。當(dāng)電網(wǎng)電壓接近1730 V時(shí)，出現(xiàn)了電阻制動(dòng)，此時(shí)電網(wǎng)的電壓在1800 V附近持續(xù)了一段時(shí)間，制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過制動(dòng)電阻的形式消耗掉，因此，在電阻制動(dòng)結(jié)束后，電網(wǎng)電壓有所下降，降至1500 V左右［7］。

通過以上分析并參閱有關(guān)資料，計(jì)算出上海地鐵2號(hào)線上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站間線路的實(shí)際能耗為12.61 kW·h，運(yùn)行時(shí)間為100 s，運(yùn)行距離為 1454 m。

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

由城軌車輛運(yùn)行節(jié)能方法優(yōu)化系統(tǒng)的仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)果。

1)節(jié)時(shí)算法的實(shí)際能耗15.72 kW·h，運(yùn)行時(shí)間87.05 s，運(yùn)行距離 1454.49 m。

2)混合優(yōu)化算法中若采用一次制動(dòng)，則實(shí)際能耗11.24 kW·h，運(yùn)行時(shí)間88.55 s，運(yùn)行距離 1453.9 m;若采用兩次制動(dòng)，則實(shí)際能耗 9.38 kW·h，運(yùn)行時(shí)間93.75 s，運(yùn)行距離 1453.8 m。

3)上海地鐵2號(hào)線上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站間線路的實(shí)際能耗12.61 kW·h，運(yùn)行時(shí)間100 s，運(yùn)行距離1454 m。

與實(shí)際線路相比，若采用一次制動(dòng)的優(yōu)化方法，則節(jié)能效率為

若采用兩次制動(dòng)的優(yōu)化方法，則節(jié)能效率為

由以上的數(shù)據(jù)分析可知，列車在運(yùn)行過程中的能耗是非常大的。按照測試時(shí)2號(hào)線的運(yùn)行區(qū)間為從淞虹路到張江高科共15個(gè)運(yùn)行區(qū)間且列車編組為6輛計(jì)算，由實(shí)際的測試結(jié)果可知，列車運(yùn)行兩站間的能耗大約為12 kW·h。假設(shè)每列車一天中上下行運(yùn)行12次，則每天運(yùn)行耗能為144 kW·h。如果采用一次制動(dòng)的混合優(yōu)化算法進(jìn)行運(yùn)行，列車平均每兩站間的運(yùn)行能耗將減少10%左右，可以節(jié)省的能耗為14.4 kW·h。按照每年365 d、每列車的運(yùn)營時(shí)間350 d、則1年可以節(jié)省的能耗為5040 kW·h;若采用兩次制動(dòng)的混合優(yōu)化算法進(jìn)行運(yùn)行，列車平均每兩站間的運(yùn)行能耗將減少25%左右，取保守值20%計(jì)算，則1年可以節(jié)省的能耗為10080 kW·h。若考慮地鐵全線的運(yùn)營列車數(shù)及發(fā)車密度，則節(jié)省的電能將成倍增長，所以研究列車的運(yùn)行節(jié)能方法優(yōu)化問題具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，通過節(jié)能優(yōu)化的研究(如增長制動(dòng)電阻箱的壽命、減少能量的消耗等)，可以帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，從而降低列車的運(yùn)營成本。

4 結(jié)語

筆者對(duì)上海地鐵2號(hào)線車輛節(jié)能的3種運(yùn)行方法進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化研究，還有一些影響因素沒有納入計(jì)算的參數(shù)中，這些參數(shù)的研究會(huì)在后續(xù)的工作中逐漸展開和深入，對(duì)影響系數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，但系統(tǒng)中已經(jīng)涉及了主要的技術(shù)參數(shù)，在一定程度上能體現(xiàn)列車的節(jié)能優(yōu)化計(jì)算;通過研究，計(jì)算出仿真結(jié)果，并與實(shí)際線路中的能耗相比較，得到以二次制動(dòng)模式運(yùn)行最優(yōu)的結(jié)論。在后續(xù)的工作中，將把仿真結(jié)果運(yùn)用到列車實(shí)際的運(yùn)行模式中，對(duì)仿真結(jié)果的可信度進(jìn)一步驗(yàn)證。系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)，可以為現(xiàn)有車輛提供更佳的運(yùn)行特性曲線，縮短新車上線的試運(yùn)行周期。

［1］Liu R，Iakov M.Golovither.Energy-efficient Operation of Rail Vehicles［J］.Ransportation Research:Part A，2003，8(37):917-932.

［2］陶生桂，王曰凡，毛明平.上海地鐵2號(hào)線牽引仿真計(jì)算研究［J］.城市軌道交通研究，2001，11(2):35-39.

［3］宋瑞剛.基于超級(jí)電容的軌道車輛制動(dòng)能量回收系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［4］Shuzou S，Kisaburo H.Traction drive system and its characteristics as power ransmission［J］.R＆D Review of Toyota CRDL，2005，40(3):30-39.

［5］彭精華.城市軌道交通車輛運(yùn)行仿真研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2005:15-32.

［6］毛保華.列車運(yùn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2008:20-90.

［7］楊儉，黃厚明，方宇.上海軌道交通2號(hào)線列車運(yùn)行能耗分析［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2009，5(4):23-25.