城市軌道交通列車牽引和制動(dòng)能耗實(shí)測(cè)分析

許伶俐，劉煒，廖鈞，崔夢(mèng)雨，劉聰，王棟

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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城市軌道交通列車牽引和制動(dòng)能耗實(shí)測(cè)分析

許伶俐，劉煒，廖鈞，崔夢(mèng)雨，劉聰，王棟

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

針對(duì)上海地鐵3、4號(hào)線列車運(yùn)行能耗進(jìn)行測(cè)試，分析列車牽引、惰行、制動(dòng)工況下的牽引取流、牽引網(wǎng)網(wǎng)壓、制動(dòng)電阻電流、制動(dòng)電阻電壓與運(yùn)行速度之間的關(guān)系，評(píng)估制動(dòng)/牽引能耗比。以上海4號(hào)線為例對(duì)所選區(qū)間段進(jìn)行建模仿真，再現(xiàn)列車運(yùn)行和牽引、制動(dòng)能耗過(guò)程，分析結(jié)果表明列車電阻制動(dòng)能耗占牽引能耗的34.93%～55.71%，因此對(duì)制動(dòng)能量通過(guò)回饋或存儲(chǔ)的方式加以利用，其節(jié)能效果對(duì)我們國(guó)家的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

城市軌道車輛；牽引能耗；制動(dòng)能耗

中國(guó)城市化進(jìn)程加速，對(duì)城市軌道交通的需求也日益增加[1]。目前中國(guó)已有39座城市獲批建設(shè)城市軌道交通，每年投資額近3 000億元，市場(chǎng)空間巨大[2-4]。城市軌道交通作為名副其實(shí)的能耗大戶，其節(jié)能工作是未來(lái)需要關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，因此對(duì)城市軌道列車的牽引、制動(dòng)能耗進(jìn)行分析是十分必要的。城市軌道列車制動(dòng)形式正逐漸由電阻制動(dòng)轉(zhuǎn)為再生制動(dòng)[5-7]，列車制動(dòng)能量的沿線分布、制動(dòng)能量占牽引能耗的比例和數(shù)量對(duì)地面制動(dòng)電阻、逆變回饋裝置、儲(chǔ)能式再生制動(dòng)能量利用裝置的容量和選址設(shè)計(jì)有著重要的作用[8-10]。國(guó)內(nèi)外對(duì)制動(dòng)能量的建模及仿真較多，有全線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐的結(jié)論和研究較少。師蔚等[11]構(gòu)建了城市軌道車輛電氣制動(dòng)能量建模及仿真，但并沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。Yang等[12]同樣建立了城市軌道車輛電氣制動(dòng)能量仿真模型，并選取一段線路進(jìn)行驗(yàn)證分析，但未考慮運(yùn)行速度和線路條件的影響。本文以上海地鐵3號(hào)線、4號(hào)線的列車能耗測(cè)試為例分析列車牽引和制動(dòng)過(guò)程，評(píng)估制動(dòng)/牽引能耗比，并通過(guò)仿真再現(xiàn)了列車的運(yùn)行過(guò)程[13-14]。

1　測(cè)試背景

上海地鐵3號(hào)線是一條以高架為主的地鐵線路，由上海南站始發(fā)至江楊北站終點(diǎn)站，共設(shè)29座車站，全長(zhǎng)40.3 km。上海地鐵4號(hào)線為一條環(huán)狀線，始發(fā)站為宜山路站，環(huán)繞一圈途徑26座車站再回至宜山路站，該線全長(zhǎng)33.6 km。上海地鐵3號(hào)線、4號(hào)線列車均采用A型車，寬3 m，編組類型均為4動(dòng)2拖6節(jié)編組，每列車配置4個(gè)制動(dòng)電阻箱，均采用車載制動(dòng)電阻消耗列車制動(dòng)能量。其中4號(hào)線測(cè)試車輛總長(zhǎng)為140 m，負(fù)載類型為AW3，總重368 t，其制動(dòng)電阻箱的參數(shù)如表1所示。

表1　車載制動(dòng)電阻箱參數(shù)

為了更好地研究列車的能耗情況及列車能耗與其他因素的關(guān)系，需要對(duì)列車的牽引取流、受電弓處牽引網(wǎng)網(wǎng)壓、制動(dòng)電阻電流、制動(dòng)電阻電壓和運(yùn)行速度進(jìn)行同步檢測(cè)，具體測(cè)量方案如圖1所示。在2處受電弓處(圖1中方框表示)和4處制動(dòng)電阻處(圖1中圓圈表示)分別安裝電壓、電流傳感器。在車底處安裝多普勒雷達(dá)(圖1中五角星表示)，測(cè)得列車的運(yùn)行速度。數(shù)據(jù)通過(guò)城市軌道電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行同步記錄存儲(chǔ)，并最終通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

圖1　測(cè)試數(shù)據(jù)獲取位置示意圖Fig.1 Obtain location of Measured date

列車牽引取流和受電弓處牽引網(wǎng)網(wǎng)壓的測(cè)試設(shè)備安裝圖片如圖2所示。車載制動(dòng)電阻流過(guò)的電流和兩端電壓的測(cè)試設(shè)備安裝圖片如圖3所示。列車運(yùn)行速度的測(cè)試設(shè)備(車底多普勒雷達(dá))安裝圖片如圖4所示。

列車2處受電弓取流分別為i1和i2，牽引網(wǎng)電壓分別為u1和u2，四處制動(dòng)電阻處測(cè)得的列車制動(dòng)電流分別為iR1,iR2,iR3和iR4，制動(dòng)電阻端電壓分別為uR1,uR2,uR3和uR4，則牽引能耗的表達(dá)式如式(1)。

(1)

式中:為列車出發(fā)時(shí)刻，為列車運(yùn)行時(shí)間。

制動(dòng)電阻能耗表達(dá)式如式(2)：

(2)

本次測(cè)試在列車每站停車的情況下進(jìn)行，模擬列車AW3負(fù)載工況下的駕駛狀態(tài)。

2　測(cè)試結(jié)果分析

2.1區(qū)間能耗分析

上海地鐵3號(hào)線測(cè)試結(jié)果如圖2所示，該數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為列車由江楊北站出發(fā)至上海南站的測(cè)試結(jié)果。由各區(qū)間的能耗直方圖可以看出，牽引能耗絕大部分都大于制動(dòng)能耗，只有個(gè)別區(qū)間制動(dòng)能耗與牽引能耗近乎相等。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，江楊北站至上海南站測(cè)試的列車全程運(yùn)行平均速度為43.79 km/h，總牽引能耗為821.90 kWh(未考慮停站能耗)，總電阻制動(dòng)能耗為428.82 kWh,制動(dòng)電阻上消耗的能量相對(duì)牽引能量的比值為52.17%。

圖2　上海地鐵3號(hào)線各區(qū)間牽引、制動(dòng)能耗直方圖Fig.2 Shanghai Metro Line 3 interval consumption histogram of traction and braking

上海地鐵4號(hào)線測(cè)試結(jié)果如圖3所示，該數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為列車由宜山路站出發(fā)延內(nèi)圈環(huán)線逆時(shí)針行駛一圈的測(cè)試結(jié)果。由圖中各區(qū)間能耗直方圖可以看出，僅有在虹橋路至宜山路區(qū)間，列車的制動(dòng)能耗大于牽引能耗，其余區(qū)間列車的牽引能耗均大于制動(dòng)能耗。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，列車在上海地鐵4號(hào)線內(nèi)圈的逆時(shí)針測(cè)試，列車全程運(yùn)行平均速度為39.61 km/h，總牽引能耗為557.60 kWh(未考慮停站能耗)，總電阻制動(dòng)能耗為231.87 kWh，制動(dòng)電阻上消耗的能量相對(duì)牽引能量的比值為41.58%。

2.2區(qū)間特例分析

以上海地鐵3號(hào)線鐵力路至友誼路區(qū)間段的列車運(yùn)行情況為例，分析上海地鐵3號(hào)線列車的具體運(yùn)行情況，其運(yùn)行曲線如圖4所示。列車在該區(qū)段運(yùn)行時(shí)進(jìn)行了4次牽引，2次連續(xù)制動(dòng)，當(dāng)列車牽引加速時(shí)，兩處受電弓總?cè)×鹘?jīng)過(guò)4 s迅速提升至3 985 A，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓降落至1 314 V,大取流過(guò)程持續(xù)7 s后，列車惰行。T=94秒，列車速度由74 km/h，開(kāi)始進(jìn)站制動(dòng)，經(jīng)過(guò)41 s制動(dòng)進(jìn)站。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，列車在該區(qū)段的牽引能耗為53.85 kWh，制動(dòng)電阻能耗為17.44 kWh。，并在該區(qū)間運(yùn)行的第96 s，制動(dòng)電阻流過(guò)的總電流達(dá)到3 671 A，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓被抬高至1 778～1 888 V范圍內(nèi)。

圖3　上海地鐵4號(hào)線各區(qū)間牽引、制動(dòng)能耗直方圖Fig.3 Shanghai Metro Line 4 interval consumption histogram of traction and braking

以上海地鐵4號(hào)線特殊區(qū)段為例，分析列車在特殊線路條件區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行情況，其中列車內(nèi)圈逆時(shí)針運(yùn)行時(shí)，由虹橋路開(kāi)往至宜山路的運(yùn)行曲線如圖5所示。

圖4　鐵力路至友誼路列車運(yùn)行曲線Fig.4 Train operation curve of Tieli road to Youyi road

圖5　虹橋路-宜山路列車運(yùn)行曲線Fig.5 Train operation curve of Hongqiao road to Yishan road

列車在該區(qū)間運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過(guò)12 s的出站牽引，隨后進(jìn)入惰行工況，此時(shí)列車速度仍繼續(xù)增長(zhǎng)，列車在該區(qū)間運(yùn)行的第89 s進(jìn)行第一次制動(dòng)，制動(dòng)維持24 s，又在第123 s發(fā)生了8 s的區(qū)間制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)牽引網(wǎng)網(wǎng)壓被抬高至1 785 V。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，列車在該區(qū)間運(yùn)行的總牽引能耗為4.67 kWh，總制動(dòng)電阻能耗為15.45 kWh，制動(dòng)能耗大于牽引能耗。該區(qū)間線路坡度信息如圖9所示。虹橋路至宜山路方向，為連續(xù)長(zhǎng)大下坡，列車惰行，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，速度上升。

圖6　宜山路至虹橋路的線路坡度示意圖Fig.6 Line slope schematic diagram of Yishan road to Hongqiao road

內(nèi)圈順時(shí)針運(yùn)行時(shí)列車由宜山路開(kāi)往至虹橋路的運(yùn)行曲線如圖10所示。

圖7　宜山路-虹橋路列車運(yùn)行曲線Fig.7 Train operation curve of Yishan road to Hongqiao road

列車在該區(qū)間段運(yùn)行時(shí)進(jìn)行了5次牽引，在該區(qū)間運(yùn)行的第162 s發(fā)生了持續(xù)時(shí)間為10 s的進(jìn)站制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)牽引網(wǎng)網(wǎng)壓被抬高至1 781 V。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，列車在該區(qū)間運(yùn)行的總牽引能耗為34.35 kWh，總制動(dòng)電阻能耗為0.51 kWh。

2.3多次試驗(yàn)比較結(jié)果

對(duì)上海地鐵3號(hào)線兩次測(cè)試結(jié)果與4號(hào)線四次測(cè)試測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，3號(hào)線制動(dòng)/牽引能耗比較高，在52.17%～55.71%之間。4號(hào)線制動(dòng)/牽引能耗比在34.93%～41.58%范圍內(nèi)。在線路條件幾乎相當(dāng)?shù)臈l件下，列車平均速度越高，其牽引能耗也越高。如4號(hào)線逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行時(shí)，平均速度增加7.67%，牽引能耗增加9.84%，順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行時(shí)，平均速度增加5.59%，牽引能耗增加1.87%。

表2多次能耗測(cè)試的速度、能耗對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

Table 2 Multiple comparison table of speedand energy consumption

測(cè)試內(nèi)容全程平均速度/(km·h-1)牽引能耗/kWh制動(dòng)電阻能耗/kWh制動(dòng)/牽引能耗比/%3號(hào)線(江楊北-上海南)43.79821.90428.8252.173號(hào)線(江楊北-上海南)46.08895.45496.8855.714號(hào)線(內(nèi)圈逆時(shí)針)39.61557.60231.8741.584號(hào)線(外圈逆時(shí)針)42.65612.44213.9534.934號(hào)線(外圈順時(shí)針)35.81505.52183.7936.364號(hào)線(內(nèi)圈順時(shí)針)37.81514.99191.1237.11

3　列車運(yùn)行仿真與實(shí)測(cè)比較

本文采用課題組開(kāi)發(fā)的城市軌道直流牽引供電仿真軟件DCTPS對(duì)上海地鐵3號(hào)線、4號(hào)線的列車運(yùn)行進(jìn)行仿真[16-18]。DCTPS已經(jīng)在國(guó)內(nèi)7家軌道交通設(shè)計(jì)院投入使用，用于軌道交通的牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

列車處于牽引狀態(tài)時(shí)，在啟動(dòng)過(guò)程中，加速度由0開(kāi)始增加，受加速度受沖擊限制的制約，并預(yù)測(cè)下一仿真時(shí)刻的速度。計(jì)算表達(dá)式如式(3)和式(4)所示。

A=A0+ΔA×Δt

(3)

v′=v+A×Δt

(4)

式中：A為每個(gè)仿真時(shí)間單元對(duì)應(yīng)的加速度；A0為上一時(shí)刻的加速度值；ΔA為加速度沖擊限制；Δt為仿真時(shí)間單元大小；v′為下一仿真時(shí)刻速度；v為當(dāng)前速度。

根據(jù)啟動(dòng)過(guò)程加速度A，計(jì)算該加速度對(duì)應(yīng)的列車單位合力c和總合力C和列車出力FT，如式(5)，式(6)和式(7)所示。并根據(jù)列車牽引力特性曲線，判斷當(dāng)前速度下列車最大出力是否滿足要求。如果不滿足，則按列車最大出力，重新計(jì)算加速度大小。

c=1 000(1+γ)A/g

(5)

C=cMg/1 000

(6)

FT=C+(w0+wj)Mg/1 000

式中：γ為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；g為重力加速度；M為列車重量，t；為基本阻力;wj為附加坡道阻力。

當(dāng)列車處于惰行工況與制動(dòng)工況時(shí)，其計(jì)算過(guò)程與牽引工基本相同，所不同的是單位合力的計(jì)算以及列車最大制動(dòng)加速度下需要提供的制動(dòng)力。

仿真過(guò)程中，牽引策略盡量模擬現(xiàn)場(chǎng)列車的實(shí)際運(yùn)行情況，并將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。駕駛策略采用目標(biāo)速度模式，仿真過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

線路數(shù)據(jù)包括線路坡度、曲線和限速等。列車運(yùn)行仿真器的計(jì)算過(guò)程如圖8所示[18]。

表3　DCTPS仿真軟件參數(shù)設(shè)置

圖8　列車運(yùn)行仿真器的計(jì)算流程圖Fig.8 Calculation flowchart oftrain operation simulator

以上海地鐵4號(hào)線內(nèi)圈順時(shí)針?lè)较虻拇筮B路至楊樹(shù)浦站和大木橋路至東安路站兩個(gè)區(qū)間段為例。大連路至楊樹(shù)浦站、大木橋路至東安路站的仿真與實(shí)測(cè)的速度曲線如圖9所示。

大連路至楊樹(shù)浦站和大木橋路至東安路站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比如表4所示。仿真過(guò)程中選用的牽引策略與真實(shí)司機(jī)駕駛過(guò)程始終有差異，牽引能耗的誤差在7%左右，制動(dòng)能耗計(jì)算誤差在15%左右，制動(dòng)/牽引能耗比誤差在10%左右。

圖9　大木橋路至東安路站的仿真與實(shí)測(cè)速度對(duì)比圖Fig.9 Simulation and measured speed comparison chart of Dabenqiao road to Dongan road

Table 4 Simulation and measured date comparison table of Dabenqiao road to Dongan road

大木橋路—東安路內(nèi)容實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果誤差/%平均速度/km·h-1)37.2843.3016.15牽引能耗/kWh16.6717.756.48制動(dòng)能耗/kWh5.206.1217.69制動(dòng)/牽引能耗比/%31.1934.4810.54%大連路—楊樹(shù)浦站內(nèi)容實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果誤差/%平均速度/(km·h-1)34.3639.1914.06牽引能耗/kWh18.4319.907.98制動(dòng)能耗/kWh8.058.242.36制動(dòng)/牽引能耗比/%43.6841.415.20

4　結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)上海地鐵3號(hào)線和4號(hào)線的能耗進(jìn)行測(cè)試分析，地鐵車輛在制動(dòng)過(guò)程中消耗在制動(dòng)電阻上的能量占牽引能量的34.93%～55.71%。牽引和制動(dòng)能耗與線路條件、司機(jī)駕駛策略等密切相關(guān)。

2)將列車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程通過(guò)城市軌道直流牽引供電仿真軟件DCTPS進(jìn)行模擬再現(xiàn)，牽引能耗最大誤差7.98%，制動(dòng)能耗最大誤差17.69%，制動(dòng)/牽引能耗比最大誤差10.54%。誤差的產(chǎn)生與線路條件、實(shí)際運(yùn)行阻力及列車牽引策略的選取有關(guān)，無(wú)法完全模擬司機(jī)的駕駛狀態(tài)。

3)與純電阻制動(dòng)方式相比，列車采用再生制動(dòng)所產(chǎn)生的能量?jī)?yōu)先給臨近列車吸收，剩余再生制動(dòng)能量需要通過(guò)地面制動(dòng)電阻、逆變回饋裝置或者儲(chǔ)能裝置加以利用，經(jīng)濟(jì)性有了很大提升。

4)下階段將在以下方面開(kāi)展研究工作：實(shí)測(cè)逆變回饋裝置的節(jié)能效果；結(jié)合列車能耗測(cè)試分析結(jié)果、列車運(yùn)行圖，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，優(yōu)化再生制動(dòng)能量利用裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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The analysis on the measured traction energy consumption and braking energy consumption of urban rail transit

XU Lingli，LIU Wei，LIAO Jun，CUI Mengyu，LIU Cong，WANG Dong

(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031 ,China)

This paper analyses the relationship between traction current、traction network voltage、braking resistance current、braking resistance voltage and running speed under the traction、idle running and braking condition about the running energy consumption test of the shanghai metro line 3、4,and evaluates the ratio of braking and traction energy consumption. Meanwhile, take shanghai metro line 4 selected intervals for example to model and simulate, reappearing the traction and braking energy consumption process. The analysis results show that the ratio of braking and traction energy consumption in the range of 34.93%～55.71%.Thus, it’s a great significance to the sustainable development of our country which recycles the braking resistance consumption by the way of feedback or storage.

urban rail vehicle;traction n energy consumption; brakingenergy consumption

2015-12-21

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014J009-B)

劉煒(1982-)，男，湖南益陽(yáng)人，副教授，博士，從事城市軌道交通牽引供電研究；E-mail：liuwei_8208@swjtu.cn

U268

A

1672-7029(2016)09-1818-07