氫能源有軌電車運行能耗仿真計算方法研究

倪 尉

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 200092， 上?！胃呒壒こ處?

相對于電容儲能式有軌電車，氫能源有軌電車的續(xù)航里程更長，這使得有軌電車線網(wǎng)規(guī)劃和運行計劃的彈性大大增加。同時，氫能源的生產(chǎn)和使用相對于采用電能供電的有軌電車要更為環(huán)保；氫和氧的電化學反應得到的水對環(huán)境無污染，真正實現(xiàn)了零排放，契合我國實施的“碳中和”戰(zhàn)略。

在氫能源有軌電車線路的實際實施中，需要在車輛段設置加氫站，以滿足車輛充氫的需求。一般每列氫能源有軌電車需要裝備6～12個儲氫罐。根據(jù)車輛廠家提供的參數(shù)，1列氫能源有軌電車單次充氫后運營里程可達100～200 km。有軌電車的網(wǎng)絡化運營和不同線路之間的互聯(lián)互通是其在城市交通系統(tǒng)中取得成功的核心條件之一。而氫能源有軌電車的能源供應需要基于加氫站的布局，這成為其實現(xiàn)網(wǎng)絡化和互聯(lián)互通的重要參數(shù)。因此，在氫能源有軌電車前期設計階段，在科學合理計算氫能源有軌電車運行能耗的基礎上，需要對加氫站的規(guī)模、布局，以及氫能源列車的配置數(shù)量和運行方案之間的匹配性進評估。氫能源有軌電車的平面示意圖如圖1所示。

1 氫能源有軌電車運行能耗計算方法設計

1.1 有軌電車牽引能耗計算方法

列車運行的能耗主要來自列車牽引過程中的起動、加速、巡航和爬坡等操作。列車制動或者惰行過程中一般不會消耗能量。列車的牽引能耗主要受到列車質(zhì)量、運行基本阻力和線型坡度等因素的綜合影響，其能耗一般通過電力提供。在規(guī)劃、設計階段的牽引計算中，只能得到估算的牽引能耗值，尚無法得到詳細的區(qū)段能耗指標。本文選取某有軌電車線路的部分區(qū)段，以該區(qū)段某列有軌電車為例，其運距-能耗曲線如圖2所示。

有軌電車運行過程中的電能消耗主要由牽引列車時的電壓和電流值共同決定。其中，電壓值一般是固定的，電流值受到列車本身速度和外部環(huán)境的變化影響，但主要與速度相關。因此，在列車牽引曲線的計算中可結合列車能耗數(shù)據(jù)得到實時電壓和電流需求。典型的有軌電車速度和牽引電流關系如圖3所示。

注：TMc2——帶司機室的半動車；M1——不帶司機室的動車；Mc1——帶司機室的動車；DC-DC——直流-直流；SIV——輔助逆變器；HSCB——高速斷路器；VVVF——變壓-變頻。

圖2 某區(qū)段某列有軌電車的運距-能耗曲線圖Fig.2 Diagram of running distance-energy consumption curve of certain tram in certain section

圖3 典型的有軌電車速度與牽引電流關系圖Fig. 3 Diagram of typical speed and traction current relationship of tram

1.2 氫燃料電池電能轉(zhuǎn)換率特點

氫能源有軌電車的氫動力系統(tǒng)主要包括氫燃料電池、儲氫模塊、冷卻模塊、DC-DC蓄電池裝置和牽引蓄電池等。不同于傳統(tǒng)的軌道交通能耗計算方法，氫能源有軌電車的能耗計算需要考慮氫能在轉(zhuǎn)換成電能過程中的損耗問題。因此，不同工況下的氫能源轉(zhuǎn)換率是關鍵參數(shù)。氫能源電池的電能轉(zhuǎn)化率與其實時輸出的電壓電流有關，在不同的溫度和線路條件下，氫能源電池的綜合電能轉(zhuǎn)換率是存在差別的，一般低功耗條件下轉(zhuǎn)換率較高，高功耗條件下轉(zhuǎn)換率較低。式(1)為氫燃料電池綜合能源轉(zhuǎn)換率η的計算公式。

(1)

式中：

V(t)——輸出電壓；

I(t)——輸出電流；

m(t)——氫燃料消耗質(zhì)量；

網(wǎng)絡關注度是指在一定區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡用戶對某一網(wǎng)絡信息的實時網(wǎng)絡關注指數(shù)，是網(wǎng)絡用戶旅游需求的體現(xiàn)。親子游網(wǎng)絡關注度是指網(wǎng)絡用戶對親子旅游的關注指數(shù)，是親子游網(wǎng)絡關注的一種衡量手段。運用百度指數(shù)方法獲取的數(shù)據(jù)可得出2013—2016年全國親子游網(wǎng)絡關注度分別達到87047、128389、191508、185930①數(shù)據(jù)來源：作者獲取 2013年 1月1日至 2016年 12月31日百度指數(shù)中“親子游”的用戶關注度數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計整理而來。?？梢?，親子游網(wǎng)絡關注度逐年增加，親子家庭旅游需求旺盛，親子游產(chǎn)品亟待開發(fā)以滿足親子家庭旅游需求。

q——熱值;

t——時間;

Δt——時間增量。

與道路車輛的復雜工況條件不同，有軌電車由于線路運行環(huán)境和運營計劃相對固定，可對其運行過程的電池功率消耗進行相對準確的計算，進而對氫能源的消耗量進行合理估算。因此,在規(guī)劃、設計過程中對氫能源有軌電車線路的牽引能耗計算,可以通過對其具體線路參數(shù)和車輛參數(shù)進行有針對性的仿真來實現(xiàn)。而對于不同電壓和電流條件下的轉(zhuǎn)換率，可根據(jù)氫能源電車和列車廠家的參數(shù)及現(xiàn)場運行的實際消耗進行估算和校正。因為電壓一般是固定的，對氫燃料電池的能源轉(zhuǎn)換率η，可在規(guī)劃設計階段直接建立以電流值I為參數(shù)的轉(zhuǎn)換率函數(shù)f(I)(如式(2)和圖4所示)，從而快速實現(xiàn)氫能源有軌電車的運行能耗仿真計算。

η=f(I)

(2)

圖4 氫燃料電池的電能轉(zhuǎn)換效率曲線圖Fig.4 Conversion efficiency curve of hydrogen fuel cell to electrical energy

1.3 基于離散轉(zhuǎn)換率的氫能耗計算

氫能源有軌電車在線路區(qū)段的牽引曲線可通過離散化的牽引仿真計算來實現(xiàn)，具體為以列車當前的速度狀態(tài)和線路運行環(huán)境為基礎，根據(jù)運行的速度目標值來計算下一個步長的列車運行狀態(tài)。其中，每個步長所需的能量消耗可以通過列車的質(zhì)量、速度變化、坡度和外界環(huán)境等其他參數(shù)來綜合反映。為了計算每個仿真步長的氫能轉(zhuǎn)為電能的轉(zhuǎn)換率，需要通過每個步長的能量消耗反算每個步長的瞬時電流來實現(xiàn)。具體流程如下：

1) 將整個氫能源有軌電車的牽引制動曲線按照仿真計算的時間間隔進行離散化，并獲取每個步長條件下列車的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括速度、位置、牽引/制動指令和能量消耗等；

2) 根據(jù)氫能源有軌電車在每個步長的能量消耗狀態(tài)和供電系統(tǒng)的電壓值，反算出當前步長的電流值；

3) 以每個步長的電流值為參數(shù)，根據(jù)車輛廠家提供的參數(shù)或者現(xiàn)場試驗的數(shù)據(jù)建立電流指標與氫能源轉(zhuǎn)換率函數(shù)，得到每個步長的氫能源轉(zhuǎn)換率；

4) 根據(jù)每個步長的氫能源轉(zhuǎn)換率和實際的牽引能量消耗計算當前步長的氫能源消耗；

5) 通過匯總計算得到計算里程內(nèi)的總氫能源消耗和綜合氫能源轉(zhuǎn)換率。之后可通過對氫能源有軌電車全線或全線網(wǎng)的數(shù)據(jù)計算，從而估算整個線路或線網(wǎng)的總氫能源消耗和綜合氫能源轉(zhuǎn)換率。

步長的劃分對于計算精度起著關鍵的作用。顯然，步長越小，精度越高，但計算量和計算復雜度也越大。一般規(guī)劃設計的不同階段對于能耗計算精度的要求不同，可以根據(jù)具體需求，在50 ms、100 ms、200 ms、500 ms的范圍內(nèi)選取不同的步長。

2 仿真計算方法的實現(xiàn)與應用案例

2.1 仿真計算方法的實現(xiàn)

根據(jù)以上流程，本文結合牽引計算模型設計了一套氫能源有軌電車能耗仿真計算方法。如圖5所示，該仿真計算方法主要包括牽引曲線計算、牽引能耗反算電流計算、氫能消耗計算和數(shù)據(jù)展示模塊4個部分。

2.2 應用案例

本文以佛山高明氫能源有軌電車某長大區(qū)間為案例，進行了氫能源有軌電車運行能耗仿真計算方法的試用。佛山高明氫能源有軌電車是中國首條商業(yè)運營的氫能源有軌電車線路，位于廣東省佛山市高明區(qū)。如圖6所示，該項目規(guī)劃總投資為10.7億元，規(guī)劃線路全長17.4 km，設車站20座;2019年，一期開通線路長約6.5 km，設車站10座(從高明汽車站站至體育中心站)。本次測試將該線二期工程的富灣湖站——佛山照明站作為仿真測試區(qū)段，測試區(qū)段的長度約為1.3 km。

圖5 氫能源有軌電車運行能耗仿真計算方法Fig.5 Calculation method for operating energy consumption of hydrogen energy tram

圖6 佛山高明有軌電車線路走向示意圖Fig.6 Diagram of Foshan Gaoming tram route

在定員情況下的平直干燥軌道上，車輪為半磨耗狀態(tài)，額定供電電壓時車輛軸重及相關速度、加速度特性如表1所示。

通過輸入表1的車輛性能參數(shù)和對應區(qū)段的線路線型數(shù)據(jù)，可得到該有軌電車運行的速度曲線和實時牽引能耗及氫能耗累積曲線圖，如圖7所示。最終計算得到氫能源有軌電車在該區(qū)段運行時的氫能耗轉(zhuǎn)為電能的綜合轉(zhuǎn)換率為54.8%，其中:牽引能耗為4.96 kW/h;氫能耗為9.05 kW/h。

表1 佛山高明氫能源有軌電車性能參數(shù)

圖7 氫能源能耗仿真計算結果Fig.7 Simulation calculation result of hydrogen energy consumption

圖8為計算出來的每個仿真步長的牽引能耗、氫能耗和氫能源轉(zhuǎn)換率。由圖8可以看到，在不同的運行狀態(tài)下，氫能耗的轉(zhuǎn)換率是不斷變化的。在列車加速時，由于功率大，能耗轉(zhuǎn)換率較低；在列車巡航時功率相對較小，能耗轉(zhuǎn)換率較高；在惰行和制動時，列車沒有產(chǎn)生牽引能耗。

圖8 牽引能耗、氫能耗及氫能源轉(zhuǎn)換率曲線圖

通過對該案例線路區(qū)段的能耗仿真計算，可以估算出在不同線路長度且運營期間不加氫的條件下，需要設置的最小車載氫能源儲存設備容量。根據(jù)本文仿真計算得出的數(shù)據(jù)，建議在線路站位設計時氫能源有軌電車最小站間距不宜小于800 m，以減小起停和低速運行的時間比例，最大程度地提高全線的氫能源利用率；通過仿真計算結果數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：當列車速度過低時，氫能源的轉(zhuǎn)換效率偏低，無法到達節(jié)能和“碳中和”的目標；但當速度過高時，牽引所消耗的能耗偏高且氫能轉(zhuǎn)換效率偏低。因此，建議在規(guī)劃設計線路時，盡量將旅行速度提高至25 km/h左右，以最大程度地提高氫能源的利用率。此外，建議道路交通系統(tǒng)提高對有軌電車信號優(yōu)先申請的采納率，以減少列車起停概率，以提高列車的旅行速度和氫能利用率。

3 結語

本文通過運用離散化的仿真牽引計算方法，利用有軌電車驅(qū)動電壓穩(wěn)定的特征，用單個步長的牽引能耗反算電流值來模擬計算氫燃料電池的實時電能轉(zhuǎn)化率，從而實現(xiàn)對氫能源有軌電車全線路或線網(wǎng)的氫能源總消耗和綜合氫能源轉(zhuǎn)換率的估算。本文所提出的仿真計算方法可在規(guī)劃設計階段為氫能源有軌電車項目的氫能源消耗和綜合氫能源轉(zhuǎn)換率估算提供參考，并對規(guī)劃設計階段的車載氫能源儲存設備容量、車站間距和線路旅行速度等設計要點提出了相關建議。