現(xiàn)代有軌電車西郊線車輛能耗分析

劉燕明 莘云峰 付海龍 王 平

（北京公交有軌電車有限公司西郊線分公司，北京 100080）

引言

近年來，我國城市軌道交通正處于大規(guī)模發(fā)展時(shí)期，現(xiàn)代有軌電車憑借載客量適中、安全舒適、快速便捷、節(jié)能降噪等特點(diǎn)逐漸成為一種新的出行方式[1]。西郊線是北京第一條現(xiàn)代有軌電車線路，獨(dú)立路權(quán)不受交通擁堵影響，信號(hào)優(yōu)先節(jié)約了乘客乘車時(shí)間等，體現(xiàn)了現(xiàn)代有軌電車的優(yōu)勢。在享受以上便利的同時(shí)，有軌電車公司更關(guān)注電車的能量消耗，因此，分析并研究現(xiàn)代有軌電車的能量消耗是非常必要的。

1 現(xiàn)代有軌電車的基本概況

1.1 線路基本條件

西郊線有軌電車車輛全長32.35m，全程共8.8km，設(shè)6座車站，列車額定供電750V，正線線路最大坡度56‰，正線最小曲線半徑60m，西郊線有軌電車站停少，站間距短，線路曲線多、半徑小，坡度大。

1.2 車輛能耗組成

有軌電車能耗分為列車牽引能耗、輔助能耗及其它能耗三個(gè)部分[2]。車輛通過接觸網(wǎng)取電，一部分經(jīng)過牽引系統(tǒng)為車輛提供動(dòng)力。另外一部分經(jīng)過輔助系統(tǒng)提供車輛必需的DC24V和AC380V電源。西郊線全列車共四臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)功率106kW，總共424kW，占整列車輛約80%的電力能耗。

1.3 基本原理

由于西郊線路坡道、彎道以及路口較多，車輛運(yùn)行時(shí)需頻繁地牽引、制動(dòng)控制車速，其能量消耗和反饋相當(dāng)可觀。制動(dòng)分為電制動(dòng)、液壓制動(dòng)和磁軌制動(dòng)三種，車輛制動(dòng)初始階段采用電制動(dòng)，電制動(dòng)包含電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)。電制動(dòng)時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速下降[3]。若該過程將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能反饋送入電網(wǎng)，可以給同一供電區(qū)段相鄰車輛使用，稱為再生制動(dòng)。若這部分能量使網(wǎng)壓抬升到一定值（1000V）時(shí)，電網(wǎng)不能再吸收，此時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)接通制動(dòng)斬波電路，利用制動(dòng)電阻將電能消耗，同時(shí)制動(dòng)能量被浪費(fèi)，稱為電阻制動(dòng)。制動(dòng)電阻基本情況見表1。

表1 西郊線制動(dòng)電阻基本情況

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)采集時(shí)間

西郊線平均發(fā)車間隔為6min，由于司機(jī)操作方式不同，所以運(yùn)行、制動(dòng)時(shí)間點(diǎn)、次數(shù)也不相同。每年的桃花節(jié)、紅葉節(jié)乘客數(shù)量要比平日成指數(shù)增加，因此，能量消耗數(shù)據(jù)的采集分別在客流高峰和低峰運(yùn)行時(shí)進(jìn)行（表2）。

2.2 信號(hào)采樣

西郊線有軌電車為5節(jié)編組，MA-RA-P-RB-MB，其中MA和MB為2個(gè)動(dòng)車，RA和RB為2個(gè)懸浮車，P車為帶受電弓的拖車。全列車共4個(gè)牽引電機(jī)，牽引電機(jī)有獨(dú)立的牽引電路，每個(gè)控制單元都有相應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)采集接口，通過這些信號(hào)的采集，經(jīng)過矢量控制算法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁通和電機(jī)扭矩的單獨(dú)控制，從而精準(zhǔn)控制逆變器的閉合，最終精準(zhǔn)控制電機(jī)運(yùn)行。

圖1為列車牽引主電路，信號(hào)UC、I1、IR采集點(diǎn)如圖標(biāo)注所示。信號(hào)采集點(diǎn)意義見表3。

表2 數(shù)據(jù)采集時(shí)間

表3 信號(hào)采集點(diǎn)意義

3 計(jì)算方法

3.1 概念

（1）牽引系統(tǒng)輸入能耗（E輸入）：列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)牽引系統(tǒng)從電網(wǎng)取得的總電能，即

圖1 電路采集點(diǎn)

式中，t1和t2為運(yùn)行時(shí)間；UC為輸入電壓；I1為輸入電流。

（2）再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能（E再生制動(dòng)）：列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)通過再生制動(dòng)反饋進(jìn)電網(wǎng)的電能，即

式中，t1和t2為運(yùn)行時(shí)間；UC為輸出電壓；-I1為輸出電流。

（3）制動(dòng)電阻能耗（E制動(dòng)電阻）：制動(dòng)斬波相開通時(shí)在制動(dòng)電阻上消耗的能量。

式中，t1和t2為運(yùn)行時(shí)間；IR為制動(dòng)電阻電流；R為制動(dòng)電阻。

（4）實(shí)際牽引電能（E實(shí)際牽引）：列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)牽引系統(tǒng)實(shí)際消耗的電能，即

（5）再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率（α），即

含義：牽引時(shí)，牽引系統(tǒng)吸收電網(wǎng)電能，將其轉(zhuǎn)化為列車動(dòng)能；制動(dòng)期間，把列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；公式（5）定量反映了能量轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)的情況。

（6）制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率（ ），即

含義：從電網(wǎng)角度來說可以認(rèn)為沒有被反饋回電網(wǎng)的能量全部被列車吸收；對(duì)于車輛而言，大部分用于牽引、制動(dòng)的過程消耗，一小部分被制動(dòng)電阻消耗。公式（6）反映了用于制動(dòng)電阻的能量消耗與列車整個(gè)過程消耗的關(guān)系，定量體現(xiàn)了制動(dòng)電阻的價(jià)值[4]。

4 能耗測試數(shù)據(jù)

車輛運(yùn)行過程中，通過IDU以及車輛ERM數(shù)據(jù)計(jì)算得到表4 -表7。因?yàn)樗緳C(jī)對(duì)車輛的操作差異，因此對(duì)高峰和低峰的車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采樣，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。其中香山到巴溝為上行線路，巴溝到香山為下行線路。

表4 高峰期間列車下行測量數(shù)據(jù) （kW·h）

表5 高峰期間列車上行測量數(shù)據(jù) （kW·h）

表6 低峰期間列車下行測量數(shù)據(jù) （kW·h）

表7 低峰期間列車上行測量數(shù)據(jù) （kW·h）

5 測量結(jié)果及其分析

將以上數(shù)據(jù)帶入公式（5）和公式（6），經(jīng)計(jì)算得到數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)對(duì)比圖

通過數(shù)據(jù)分析表明：

（1）通過對(duì)載客數(shù)量高峰、低峰期的能耗數(shù)據(jù)對(duì)比，載客量是影響車輛牽引能耗的重要因素[5]，高峰期牽引能耗明顯高于低峰期的牽引能耗。

（2）雖然載客量不同，但是制動(dòng)電阻的實(shí)際工作次數(shù)較少，所以制動(dòng)電阻能量消耗沒有發(fā)生明顯變化。

（3）通過對(duì)車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，車輛上行香山至植物園站間，由于線路處于下坡路段，車速限制，車輛呈制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)處于發(fā)電工作階段，相對(duì)其它站有所不同，此時(shí)回饋電網(wǎng)能量大于牽引消耗能量。

（4）綜合表4 -表7數(shù)據(jù)，列車“牽引系統(tǒng)輸入能量”在整個(gè)線路上下行過程中，制動(dòng)有大約41.35%能量反饋回電網(wǎng)，在“列車實(shí)際牽引電能”中有大約0.3%被制動(dòng)電阻消耗。列車約58.7%的輸入能量在其運(yùn)行過程中用于列車牽引、制動(dòng)等消耗，這與行駛線路、部件配合、牽引系統(tǒng)的工作效率有關(guān)。從能源損失的角度看，在合理安排行車的情況下，車輛起動(dòng)和制動(dòng)配合到位，反饋回電網(wǎng)的能源，可以被其他車輛吸收利用，反饋回電網(wǎng)上的能量不會(huì)被浪費(fèi)，可以提高電能利用率，減少電能消耗[6]。

6 結(jié)論

目前西郊線有軌電車牽引部分消耗了大部分電能用于牽引、惰性、制動(dòng)各階段的系統(tǒng)消耗。車輛反饋制動(dòng)效果明顯，如果列車反饋制動(dòng)時(shí)，同一供電區(qū)間內(nèi)恰好有其他列車處于牽引狀態(tài)，那么列車反饋的能量可以被吸收利用，反饋制動(dòng)也能起到很好的效果；制動(dòng)電阻消耗的能量很少，沒有造成過多能源浪費(fèi)，雖然目前制動(dòng)電阻的作用不大，但是它并不能被取代。