列車操控模式對列車能耗的影響

王彥崢

0 引言

新中國成立60 年來，國內(nèi)的城市軌道交通從無到有，從單一線路到四通八達，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。進入21 世紀以來，隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的加快，城市軌道交通也得到長足發(fā)展。截至2013 年6 月，內(nèi)地15 座城市已建成運營的數(shù)十條城市軌道交通線路運營里程已達1 986 km。目前城市軌道交通發(fā)展最快的京、滬、穗三地的運營里程都已突破千公里，其中運營里程最長的上海已達473 km 以上，北京已達456 km，廣州地鐵也超過240 km。至2020 年，京、滬、穗三地的城市軌道交通運營里程都將超過500 km。目前還有諸多城市的軌道交通正在規(guī)劃和設計之中，而3 大城市軌道交通的遠景規(guī)劃都有望突破1 000 km。

大規(guī)模的地鐵項目的運營，需要巨大的電能消耗和強大的電力系統(tǒng)支持。地鐵系統(tǒng)的最重要的電能消耗就是列車，對列車的能耗使用情況進行分析研究，不論在設計階段還是運營階段都是十分重要的，它直接或間接影響整個系統(tǒng)設計的科學準確性和未來數(shù)十年甚至百年的運營的經(jīng)濟性。本文將從列車運行操控模式方面對列車能耗進行分析，以期引起重視并提出合理化建議。

目前國內(nèi)地鐵普遍采用的列車操控模式主要有2 種：一種是采用牽引-惰性-制動的控制模式（以下簡稱惰行模式），另一種是采用牽引-巡航-制動的模式（以下簡稱巡航模式）。這2 種操控模式在國內(nèi)地鐵均有應用，已建的大部分地鐵采用惰行模式運行，深圳地鐵1 號線、4 號線以及香港地鐵采用巡航模式運行。從乘客舒適度看，巡航模式下列車運行更平穩(wěn)，乘客舒適度更好，更有利于列車智能控制；從能耗角度看，巡航模式下由于不能很好的利用線路勢能，單列車的牽引能耗一般相對較高、制動能量也相應增大。本文主要從能耗的角度對本線的列車運行模式進行分析并提出建議。

1 不同操控模式下的系統(tǒng)能耗分析

為使不同列車操控模式下的系統(tǒng)能耗對比更量化、更清晰，可以使用專業(yè)的計算機仿真軟件對選定的某地鐵工程案例進行典型性的案例分析。下文利用專業(yè)仿真軟件結(jié)合工程案例對2 種操控模式下的列車能耗情況進行模擬和統(tǒng)計對比分析。

1.1 不同操控模式下的列車能耗統(tǒng)計及分析

利用列車運行模擬軟件，對2 種操控模式下的列車運行進行模擬，其模擬結(jié)果能耗對比見表1。

表1 2 種操控模式下列車能耗對照表

圖1 顯示了某案例工程的一個典型區(qū)間中，在2 種操控模式下列車運行曲線?？梢钥闯?，巡航模式下，列車取電時間和再生電流持續(xù)時間都更長。

圖1 不同操控模式下列車運行曲線圖

從表1 的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，巡航模式單列車的牽引能耗相對較高，但其制動能量也有所增高。過去列車采用直流斬波電機（如北京地鐵1 號線的老車輛），列車無法實現(xiàn)再生制動，列車制動能量無法向牽引網(wǎng)反饋，列車的牽引能耗直接決定整個地鐵的系統(tǒng)牽引耗電。在該情況下，列車的操控模式對系統(tǒng)的能耗影響較大，從表1 可以看出，巡航模式的牽引耗電是惰行模式下的1.23 倍，能耗相差較大。目前國內(nèi)地鐵車輛均已采用具有再生制動功能的VVVF 車輛，直流牽引系統(tǒng)全線貫通為一體，列車制動能量很大部分會被相鄰的列車利用，因此單列車的列車運行模擬結(jié)果并不能真實反映整個系統(tǒng)的能耗差異，應該從全線、全系統(tǒng)的角度進行全線牽引供電網(wǎng)絡仿真計算和分析。據(jù)此，下文對2 種列車操控模式下的全線供電系統(tǒng)進行不同運營時期的仿真計算，并進行統(tǒng)計分析。

1.2 不同操控模式下的饋出功率統(tǒng)計及分析

目前地鐵已經(jīng)普遍采用VVVF 車輛，可以將列車再生制動能量向牽引網(wǎng)反饋，因此供電系統(tǒng)仿真計算過程中應充分考慮列車再生能量在牽引網(wǎng)中的分布。而要做好列車運行能耗的分析，不僅要對列車的運行進行仿真模擬，還要在列車運行模擬基礎(chǔ)之上利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件分別對2 種操控模式的全線牽引供電系統(tǒng)的能耗分布情況進行模擬分析，才能使分析的結(jié)論更切合目前軌道交通的實際情況。鑒于此，對全線各種追蹤間隔下供電系統(tǒng)的牽引所饋出功率統(tǒng)計如表2 所示。

從表2 可以看出，考慮VVVF 車輛的再生制動功能后，采用惰性操控模式相對巡航操控模式更節(jié)能；在列車密度較低時，惰行模式比巡航模式的節(jié)能效果更佳；列車高密度運行時，巡航模式的節(jié)能效果并不十分明顯。這主要是因為在列車密度較高時，再生能量被相鄰列車吸收的比例較高，雖然巡航模式的純牽引耗電較高，但相應的再生能量也較高，因此遠期列車密度較高時，巡航模式的系統(tǒng)牽引總能耗增加并不明顯，而初、近期及非高峰時段則比較明顯。

地鐵列車的開行方案特點是早晚高峰小時列車密度高，其余時段列車密度低，全天各時段的列車開行密度呈雙駝峰分布。根據(jù)案例工程各運營年度的列車開行方案，分別對2 種操控模式下供電系統(tǒng)在各種列車追蹤間隔下的系統(tǒng)饋出能量分布情況進行仿真模擬，結(jié)合不同運營期全日各時段的列車密度統(tǒng)計各運營階段的2 種操控模式下系統(tǒng)年牽引耗電情況如表3 所示。

從表3 統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，采用惰行模式具有較好的節(jié)能效果。

表2 2 種列車操控模式下，牽引所總饋出功率比較表

表3 各運營階段的2 種操控模式下系統(tǒng)年牽引耗電情況表

2 結(jié)論與建議

根據(jù)上述模擬統(tǒng)計數(shù)據(jù)和分析，初步得到以下結(jié)論：

（1）當?shù)罔F采用無再生功能的車輛時，從列車運行模擬的統(tǒng)計結(jié)果看，采用巡航操控模式的系統(tǒng)能耗高于惰行操控模式23%；初步估算采用巡航操控模式遠期每年案例工程將增加電費約2000 萬元。因此，在地鐵采用無再生功能的車輛時，從節(jié)能減排、節(jié)省運營費的角度出發(fā)，采用惰行操控模式控制列車運行具有較好的經(jīng)濟性。

（2）當?shù)罔F采用有再生功能的車輛時，從案例工程的牽引供電系統(tǒng)仿真結(jié)果看，采用惰行模式，在各運營年度均有一定的節(jié)能效果。對各種列車追蹤間隔下變電所饋出功率統(tǒng)計結(jié)果看，惰行模式在列車密度較小時，其節(jié)能效果更明顯。結(jié)合各年度列車開行計劃下的模擬結(jié)果進行統(tǒng)計，運營期列車若采用惰行模式操控運行，相對巡航操控模式，每年電能節(jié)省約450～500 萬度；按照每度電0.7 元估算，采用惰行模式年節(jié)約電費約315～350萬元；按照30 年統(tǒng)計，約節(jié)約電能1.38 億度，按照目前電價估算，30 年約節(jié)約運營成本0.97 億元。

因此，在地鐵采用有再生功能的車輛時，從節(jié)約運營費用的角度考慮，建議列車采用惰行模式運行。

[1] GB50157-2003 地鐵設計規(guī)范[S].

[2] TB/T1407-1998 列車牽引計算規(guī)程[S].