動車組固有速度—單位能耗指標及計算方法研究

李杰波

( 中國鐵道科學(xué)研究院　機車車輛研究所， 北京 100081 )

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動車組固有速度—單位能耗指標及計算方法研究

李杰波

( 中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所， 北京 100081 )

為獲得更高速度條件下動車組能耗水平，研究并提出動車組速度—能耗為目標值的分布規(guī)律。通過國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文件和動車組試驗結(jié)果，提出采用動車組在平直道恒速運行時的人均百公里耗電量指標，用于評價動車組由設(shè)計制造所賦予的固有能量消耗水平。根據(jù)動車組單位能耗構(gòu)成特點，給出了具體的單位能耗指標計算方法，分析動車組固有屬性決定能耗水平的影響因子。以某高速動車組能耗實測結(jié)果為例驗證其速度—單位能耗分布規(guī)律適用性。

鐵路運輸； 高速動車組； 速度—單位能耗； 分布

與其他運輸模式相比，能源效率是鐵路運輸最顯著的優(yōu)勢。UIC[1]將能源效率、噪聲、內(nèi)燃機排放列為鐵路最相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，從能源消耗觀點將能源效率認為是最優(yōu)先考慮項，它能夠保持和加強鐵路運輸?shù)母偁幍匚?，降低鐵路運營的全壽命周期成本。

德國自2007年開始研究以400 km/h運營的超高速動車組[2]，目標之一就是節(jié)能，在能耗指標上要求比ICE3節(jié)能50%(300 km/h時)。目前我國高速動車組運營速度等級有200，250，300 km/h，在發(fā)展過程中也有以330，350 km/h運營的經(jīng)驗。以更高速度運營時，動車組能耗水平仍是未知目標，迫切需要研究動車組運行速度與能耗之間的關(guān)系，從能源消耗的角度考慮更高速度鐵路運營速度。

1　動車組固有單位能耗指標

2008年UIC[3]制訂了鐵路運用環(huán)境性能關(guān)鍵指標(KPI)技術(shù)標準，在客運和貨運能耗指標方面提出采用人均公里耗電量(kWh/pkm)和每噸公里耗電量(kWh/tkm)的指標概念。我國TB/T 1407-1998《列車牽引計算規(guī)程》[4]中，對貨物運輸提出了萬噸公里耗電量(kWh/萬tkm)概念，在牽引旅客列車以及動車組運輸能耗方面尚無相關(guān)定義。

動車組能源消耗主要以牽引能耗為主，牽引能耗與動車組運行交路、司機操縱密切相關(guān)。一般將旅客運輸分為3種：高速列車(長區(qū)間，高速)、城際旅客列車(少數(shù)停站，速度變化)、區(qū)間或郊區(qū)列車(較多停站，快起快停)。不同交路為客觀條件，主要指存在的不同線路條件和不同運輸方式；司機操縱則是考慮主觀的人為因素，這些因素都不是動車組本身設(shè)計造成的。

文獻[5]指出，在運行時間確定的條件下，列車恒速運行時阻力能耗最低。為客觀評價動車組固有能耗水平，摒除運行交路、司機操縱導(dǎo)致的能耗波動，特別地在采用動車組在平直道恒速運行時的人均百公里耗電量(kWh/102pkm)評價動車組設(shè)計制造本身所固有的能耗水平，簡稱單位能耗。

2　動車組單位能耗計算方法

動車組運行基本阻力是耗能主體，一般可以描述為[6]：

(1)

式(1)中w0為動車組運行基本阻力，N/kN；vt為速度，km/h；a,b,c為大于零的系數(shù)常量。

設(shè)動車組恒速運行速度為v，單位公里運行時間為T。動車組單位能耗E可以表示為：

(2)

式(2)中n為動車組旅客人數(shù)；Pa為動車組輔助系統(tǒng)輸出功率，W；m為動車組質(zhì)量，kg；ηt,ηa,ηc,ηg,ηm分別為主變壓器效率、輔助變流器效率、牽引變流器效率、齒輪傳動箱效率、牽引電機效率。

將式(1)代入式(2)，并考慮恒速運行時單位公里運行時間T=3 600/v，將式(2)化簡得：

(3)

式(2)、式(3)表明，動車組單位能耗由輔助能耗和克服阻力做功的牽引能耗構(gòu)成，僅與動車組定員、質(zhì)量、輔助功率、阻力以及系統(tǒng)效率有關(guān)，為動車組本身固有屬性決定，可以客觀評價動車組設(shè)計制造所賦予的能耗水平。單位能耗—速度分布計算結(jié)果受傳動系統(tǒng)效率、輔助功率發(fā)揮影響，在低速區(qū)尤其要考慮電機效率、變壓器效率降低導(dǎo)致的誤差；在高速區(qū)各主要電氣及機械部件的效率與標稱值基本一致，可以按照標稱值計算。

式(3)指明了從設(shè)計角度降低動車組能耗的主要手段，包括4方面：

(1)降低整車質(zhì)量，輕量化設(shè)計；

(2)降低動車組運行阻力；

(3)降低輔助用電，對輔助負載進行節(jié)能控制如旅客舒適度負載、充電機直流負載以及牽引系統(tǒng)輔助機組等；

(4)提高牽引傳動系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的效率，合理調(diào)整各環(huán)節(jié)在長期運行速度時的功率匹配，以盡量貼近額定工況保證效率在較高水平。

式(3)表明，隨著動車組運行速度的增加，運行阻力耗能也必然增加，因此總能耗必然隨著速度提高而增大。能耗計算中，一般通過測量網(wǎng)壓、網(wǎng)流計算網(wǎng)端功率，再對網(wǎng)端功率進行積分計算耗電量[4]。

為預(yù)測更高速度條件下動車組的能耗分布，需要對動車組速度—單位能耗在現(xiàn)有速度等級運行條件下的規(guī)律進行探討。

首先，通過線路試驗獲得動車組在平直道上恒速運行時的平均網(wǎng)端功率，采用恒速時的平均網(wǎng)端功率估算動車組單位能耗。其次，將在平直道進行的多個典型速度點恒速運行的單位能耗與速度的關(guān)系按照式(3)的數(shù)學(xué)模型回歸。

可以將式(3)進一步調(diào)整為：

(4)

則式(4)為一般表達式：

(5)

式(5)中A0,A,B,C為式(3)化簡后的常量表達符號。

式(5)表明了速度與單位能耗乘積后，其與速度為三次方關(guān)系，采用最小二乘法進行三次多項式即可獲得類似式(5)的回歸規(guī)律。

最后，將得到的回歸數(shù)學(xué)公式等式左右各除以速度v可得到速度—單位能耗分布規(guī)律。

3　速度—單位能耗分布規(guī)律驗證

以某型高速動車組為例，選取的主要計算參數(shù)如下：n取1004；Pa取600 000 W；m取957 000 kg；主變壓器效率ηt取0.95；輔助變流器效率ηa取0.98；牽引變流器效率ηc取0.98；齒輪傳動箱效率ηg取0.975；牽引電機效ηm取0.95；單位基本阻力公式系數(shù)a取0.56；b取0.003 7；c取0.000 112。

將計算參數(shù)代入式(3)得該動車組在高速區(qū)段的速度—單位能耗的分布規(guī)律為：

E=64.190/v+0.169+1.114×10-3v+

(6)

通過式(6)可以計算其在各個速度級運行時的單位能耗、輔助能耗與阻力能耗貢獻比例。

該型動車組實測單位能耗通過實車試驗，由網(wǎng)側(cè)功率進行積分計算獲得。

動車組速度—單位能耗理論計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比表如表1。

表1　載荷條件下某型高速動車組定員理論單位能耗與實測結(jié)果[7]對比表

由表1可見：

(1)隨著速度提高，輔助能耗對動車組單位能耗貢獻越來越小，阻力能耗貢獻越來越大。在330 km/h以上，阻力能耗比例占總能耗的95%以上，因此動車組阻力大小決定了其節(jié)能水平優(yōu)劣。

(2)隨著速度提高，各個環(huán)節(jié)的效率趨于平穩(wěn)，單位能耗計算值與試驗值趨于一致，300 km/h以上相對誤差小于5%。

(3)由于實車無法獲得定員載荷下的更高速度等級單位能耗，如400,420 km/h，因此根據(jù)式(6)預(yù)測該型動車組在更高速度400,420 km/h運行時的單位能耗分別為6.17,6.74 kWh/102pkm。該型動車組進行超高速試驗時(空載條件)的試驗結(jié)果分別為6.19,6.72 kWh/102pkm，計算結(jié)果與空載條件下的試驗結(jié)果相當吻合。

4　結(jié)　論

(1)平直道恒速運行人均百公里能耗指標作為評價動車組固有單位能耗水平是適用的;

(2)隨著速度提升，動車組單位能耗水平主要取決于動車組阻力大小;

(3)通過與實測結(jié)果驗證，速度—單位能耗的一般分布規(guī)律可以預(yù)測更高速度條件下動車組的單位能耗水平，并得到比較貼近實際的預(yù)測結(jié)果。

[1]UIC Leaflet 345.Environmental Specifications for new rolling stock[S].

[2]吳瑞梅. 德國DLR研制的新一代列車ICE NGT[J]. 國外鐵道車輛, 2014,51(6):15-18.

[3]UIC Leaflet 330. Railway specific environmental performance indicators[S].

[4]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1407-1998 列車牽引計算規(guī)程[S].

[5]曾宇清,于衛(wèi)東, 扈海軍,等.高速鐵路牽引計算層次約束方法[J]. 中國鐵道科學(xué), 2009,30(6):97-103.

[6]張波，陸陽，李杰波．中國高速動車組運行阻力試驗及思考[C].中國鐵道科學(xué)研究院60周年學(xué)術(shù)論文集．北京:中國鐵道出版社，2010.

[7]中國鐵道科學(xué)研究院．京滬高速鐵路綜合試驗研究總報告[R]．北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2011.

Research on Speed-energy Consumption Distribution of High-speed EMU

LIJiebo

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences , Beijing 100081， China )

In order to reveal the energy consumption level of high-speed EMU, EMU speed-energy distribution was discussed. According to EMU energy constitutes, the calculation method was proposed given energy saving mode, and the theoretical distribution formula was established for the target speed-energy, revealing the relationship between the energy consumption and the cubic velocity. The practicability of speed-energy consumption distribution was verified by taking a high-speed EMU energy consumption as an example.

Railway transportation, high-speed EMU, speed-energy consumption, distribution

1008-7842 (2016) 04-0097-02

??)男，副研究員(

2015-12-18)

U266.2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.24