日本基于列車運行能耗模擬器的節(jié)能技術(shù)效果預(yù)測

1 引言

電氣化鐵路利用接觸網(wǎng)為列車提供運行所需的電能。在能源供應(yīng)日趨緊張的今天，節(jié)能降耗成為鐵路相關(guān)技術(shù)發(fā)展的大趨勢。其中具有代表性的是再生制動技術(shù)，該技術(shù)可將列車制動時的動能轉(zhuǎn)化為電能，并將電能反向回饋給接觸網(wǎng)。此外，通過改變供電設(shè)備構(gòu)造以減小供電回路電阻、通過提高車載設(shè)備效能以降低能耗等措施也是研究的重點。

相關(guān)節(jié)能技術(shù)種類繁多，而且每種技術(shù)的費用和效果均不相同，加之其實際節(jié)能效果會隨著節(jié)能設(shè)備使用場所及線路條件的不同而變化，因此研究如何利用有限的預(yù)算從諸多節(jié)能技術(shù)中篩選出效果最佳的方案，至關(guān)重要。

為此，日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）開發(fā)了一種可模擬和預(yù)測大多數(shù)種類列車運行能耗的列車運行能耗模擬器。本文將對該模擬器進行介紹，并以再生制動節(jié)能技術(shù)為例，利用該模擬器分析和預(yù)測其引入效果。

2 列車運行能耗模擬器構(gòu)造及功能

列車運行能耗模擬器是一套模擬仿真設(shè)備，通過模擬直流電氣化鐵路列車的運行來計算其消耗的電能，其構(gòu)造和功能如圖1所示。該模擬器包含運行管理單元、饋電回路計算單元、車輛計算單元、運行曲線計算單元4部分。運行管理單元負責(zé)按照設(shè)定的列車運行時刻表模擬列車發(fā)車，并調(diào)用和管理3個計算單元；運行曲線計算單元負責(zé)在模擬列車發(fā)車后，計算列車加速度及位置，生成列車運行曲線并根據(jù)牽引力的變化對其進行調(diào)整，以及決定列車的牽引、惰行、制動等運行狀態(tài)；車輛計算單元通過求解運動方程計算出列車的牽引力和制動力，并計算接觸網(wǎng)電流，其計算結(jié)果將輔助列車運行曲線的生成和調(diào)整，以及接觸網(wǎng)電壓的計算；饋電回路計算單元根據(jù)運行曲線計算單元得出的列車位置及車輛計算單元得出的接觸網(wǎng)電流，通過求解電路方程計算出接觸網(wǎng)電壓，并將電壓計算結(jié)果反饋給車輛計算單元，輔助其計算接觸網(wǎng)電流。在列車運行過程中，牽引力會隨著接觸網(wǎng)電壓的變化而變化，而接觸網(wǎng)電壓則會隨著列車位置、列車運行時刻表及運行曲線的變化而產(chǎn)生波動。由此可知，上述因素是相互影響、相互依賴的。

列車運行能耗模擬器具有評價列車運行能耗、優(yōu)化列車運行曲線的功能，如圖2所示。列車運行曲線對于列車能耗計算有至關(guān)重要的影響。該模擬器可根據(jù)指定的區(qū)間運行時間制作接近列車實際運行方式的列車運行曲線，并對相關(guān)能耗進行評價，從而達到優(yōu)化列車運行曲線的目的。具體操作方式是：首先制作出區(qū)間運行用時最短的標準列車運行曲線，然后通過依次插入適當(dāng)?shù)亩栊芯嚯x以匹配指定的區(qū)間運行時間，最終得出更經(jīng)濟、節(jié)能的列車運行曲線。

列車運行能耗分為2類，即用于列車牽引制動的主電路能耗，以及用于車內(nèi)照明、空調(diào)等輔助設(shè)備的輔助電路能耗。其中，空調(diào)系統(tǒng)能耗隨著季節(jié)變化會有很大的波動，因此在計算時必須考慮季節(jié)變化的因素。輔助電路能耗隨室外溫度的變化趨勢如圖3所示。由圖可知，室外溫度低時開放暖氣、室外溫度高時使用空調(diào)制冷會導(dǎo)致輔助電路能耗增大。

列車運行能耗模擬器是經(jīng)過多次測量試驗及驗證開發(fā)而成的。圖4中的列車運行能耗驗證數(shù)據(jù)就是經(jīng)1年多測量所積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。由圖可知，除室外溫度變化外，還有其他因素導(dǎo)致列車運行能耗波動，盡管如此，模擬器的計算值仍分布在測量平均值附近，證明其模擬結(jié)果具有相當(dāng)高的可靠性。

3 再生制動相關(guān)節(jié)能技術(shù)

再生制動技術(shù)節(jié)能的原理如圖5所示，列車再生制動產(chǎn)生的電能可通過接觸網(wǎng)靈活調(diào)劑給附近正處于牽引狀態(tài)、需要消耗電能的其他列車。但如果線路行車密度較低，列車之間距離較遠，或者由于線路存在連續(xù)小半徑曲線、連續(xù)下坡等情況導(dǎo)致列車需要連續(xù)制動，則再生制動產(chǎn)生的電能有可能無法被充分利用。在此種情況下，若是在直流電氣化區(qū)間，為防止接觸網(wǎng)電壓被抬升得過高，列車需要減少甚至停止使用再生制動，改用空氣制動來減速，這被稱為再生制動失效。如果能夠降低再生制動失效的發(fā)生頻率，則可實現(xiàn)進一步的節(jié)能。

為此，諸多的節(jié)能技術(shù)應(yīng)運而生：在直流電氣化線路的變電所等供電設(shè)施內(nèi)加裝用于儲存再生電能的儲能裝置及再生電能專用逆變器，以使車站環(huán)控、照明等設(shè)備能夠利用再生電能；此外，為將再生電能有效調(diào)劑給遠處的列車使用，可在列車上搭載再生電能集中控制設(shè)備，以協(xié)調(diào)列車間的供用電關(guān)系。

4 節(jié)能技術(shù)引入效果預(yù)測

列車運行能耗模擬器是以模擬、再現(xiàn)、研究上述再生制動失效現(xiàn)象為目的而開發(fā)的模擬系統(tǒng)，可預(yù)測節(jié)能技術(shù)的引入效果。下面將以儲能裝置和新型節(jié)能車輛引入效果預(yù)測作為案例進行說明。

4.1 儲能裝置節(jié)能效果

再生制動失效現(xiàn)象通常在空調(diào)負荷較低的春秋季發(fā)生，這意味著以抑制再生制動失效為目標的儲能裝置的節(jié)能效果在春秋季優(yōu)于冬夏季。因此，在評估儲能裝置的節(jié)能效果時，需要考慮空調(diào)負荷的季節(jié)性變化。鐵道綜研首先利用列車運行能耗模擬器，針對安裝及未安裝儲能裝置的線路進行了3種不同空調(diào)負荷模式的模擬，并計算出各模式對應(yīng)的1天能耗量，如圖6所示；然后，根據(jù)從氣象廳數(shù)據(jù)庫中獲得的室外溫度實測值，計算出各空調(diào)負荷模式在1年中的使用天數(shù)，如圖7所示；最后將各空調(diào)負荷模式的1天能耗量與使用天數(shù)相乘，即可計算出1年的能耗總量，如圖8所示。由圖可知，安裝儲能裝置線路的1年能耗量總體低于未安裝線路，儲能裝置的引入有助于線路節(jié)能。

4.2 新型節(jié)能車輛節(jié)能效果

下面將介紹搭載更節(jié)能牽引電機和逆變器的新型車輛節(jié)能效果預(yù)測案例。

在列車加速性能提升的條件下，其運行模式大致分為以下2種：一種是通過提高加速性能，縮短運行時間，即省時運行模式，如圖9a所示；另一種是起動時采用高加速度，并在滿足區(qū)間運行時間的前提下盡早停止加速，延長惰行時間，即節(jié)能運行模式，如圖9b所示。采取運行模式不同，則能耗也各異，因此在對列車能耗進行評估之前需要為其設(shè)定適當(dāng)?shù)倪\行模式。對于搭載更節(jié)能設(shè)備的新型車輛而言，評估其節(jié)能效果不僅需要設(shè)置其運行模式，還要考慮機器設(shè)備效率的提高，即應(yīng)妥善評價節(jié)能效果是運行模式改變還是機器設(shè)備效率提高所帶來的。

為此，鐵道綜研利用列車運行能耗模擬器，將現(xiàn)有車輛正常行駛、新型車輛采用省時運行模式、新型車輛采用節(jié)能運行模式3種情況下的能耗進行對比，計算結(jié)果如圖10、圖11所示。由圖可知，新型車輛即使采用省時運行模式，能耗也較低；若采用節(jié)能運行模式，則能耗將進一步降低。