基于波哥大輕軌供電系統(tǒng)的單車(chē)單程能耗分析

摘? 要：該文基于波哥大輕軌項(xiàng)目對(duì)供電系統(tǒng)仿真的單車(chē)單程能耗進(jìn)行分析。由于車(chē)輛仿真中不含再生能耗的單車(chē)單程能耗不能滿(mǎn)足合同要求，而直流仿真作為一種時(shí)域仿真無(wú)法單獨(dú)得出單車(chē)單程能耗。因此，為了驗(yàn)證單車(chē)單程能耗，首先將合同要求的單車(chē)單程轉(zhuǎn)換成再生能耗占總能耗的比例，然后通過(guò)分析建立高峰與平峰時(shí)刻的牽引直流仿真模型，最后通過(guò)對(duì)車(chē)輛總再生能耗占總能耗的比例證明單車(chē)單程能耗滿(mǎn)足合同要求容量并得到國(guó)外監(jiān)理批準(zhǔn)。該文通過(guò)上述步驟對(duì)波哥大輕軌項(xiàng)目中單車(chē)單程能耗進(jìn)行研究和梳理，以期為今后類(lèi)似情況提供一種計(jì)算方案及相關(guān)案例依據(jù)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)诬?chē)單程能耗；車(chē)輛仿真；牽引仿真；供電能耗；軌道交通

中圖分類(lèi)號(hào)：P694? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0019-04

Abstract： This paper and analyzes the single vehicle one-way energy consumption simulated by power supply system based on Bogotá Metro Rail project. Because the single-way energy consumption of single vehicle without renewable energy consumption in vehicle simulation can not meet the requirements of the contract， while DC simulation as a time-domain simulation can not get single-way energy consumption alone. Therefore， in order to verify the one-way energy consumption of a vehicle， the one-way energy consumption of the vehicle required by the contract is first converted into the ratio of regeneration energy consumption to the total energy consumption， and then the traction DC simulation model of peak and flat time is established through analysis. Finally， through the proportion of the total regenerative energy consumption of vehicles to the total energy consumption， it is proved that the one-way energy consumption of single vehicle meets the required capacity of the contract and has been approved by foreign supervision. Through the above steps， this paper studies and sorts out the one-way energy consumption of vehicles in the Bogotá Metro Rail project， in order to provide a calculation scheme and related case basis for similar situations in the future.

Keywords： single vehicle one-way energy consumption; vehicle simulation; traction simulation; power supply energy consumption; rail transit

波哥大輕軌項(xiàng)目全長(zhǎng)39.66 km，全線(xiàn)共設(shè)17座車(chē)站，13座牽引所，其中首站為Call 26，末端站為Facatativa。由于波哥大本身電力資源較為薄弱，為了實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，在合同中對(duì)列車(chē)單車(chē)單程做出了相關(guān)規(guī)定。根據(jù)波哥大輕軌項(xiàng)目的合同要求，單車(chē)單程能耗不能高于480 kWh。根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)只需列車(chē)牽引能耗和列車(chē)輔助能耗達(dá)到合同要求，則單車(chē)單程能耗一定能滿(mǎn)足要求，但是波哥大輕軌項(xiàng)目中列車(chē)牽引能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合同要求能耗（見(jiàn)下述案例分析），必須采用其他方式進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

對(duì)于牽引供電系統(tǒng)能耗來(lái)說(shuō)，目前較為常見(jiàn)的有基于單位車(chē)公里、人公里和噸公里等能耗指標(biāo)通過(guò)優(yōu)化線(xiàn)路方案研究供電系統(tǒng)能耗[1]；基于剩余制動(dòng)能量參數(shù)通過(guò)優(yōu)化再生設(shè)備的分布研究供電系統(tǒng)能耗[2]；基于列車(chē)、客流、牽引供電設(shè)備、環(huán)控設(shè)備及發(fā)車(chē)間隔等因素通過(guò)對(duì)未來(lái)能耗預(yù)測(cè)及優(yōu)化來(lái)研究供電系統(tǒng)能耗[3]；通過(guò)供電設(shè)備優(yōu)化研究供電系統(tǒng)能耗[4]。

綜上，目前供電系統(tǒng)能耗著重于整個(gè)牽引供電系統(tǒng)，尚未有單車(chē)單程能耗的相關(guān)分析，這是因?yàn)閷?duì)于整個(gè)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，供電仿真是一個(gè)基于運(yùn)行圖的時(shí)域過(guò)程，無(wú)法直接通過(guò)仿真得出相應(yīng)的結(jié)果。為了滿(mǎn)足合同要求，下面將通過(guò)波哥大輕軌項(xiàng)目實(shí)際案例對(duì)供電系統(tǒng)中的單車(chē)單程能耗進(jìn)行分析。

1? 供電系統(tǒng)能耗分析

1.1? 供電能耗分析

對(duì)于牽引供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能耗可以大致分為以下幾個(gè)部分，整流機(jī)組輸出能耗、傳輸過(guò)程損失能耗、列車(chē)牽引能耗、列車(chē)輔助能耗、再生設(shè)備吸收/輸出能耗（如有再生設(shè)備）及其他損耗。在仿真過(guò)程中，由于其他損耗較為復(fù)雜，且占比非常小，因此在仿真過(guò)程中忽略其他損耗[5]。

下面將結(jié)合波哥大輕軌項(xiàng)目對(duì)如何滿(mǎn)足單車(chē)單程能耗值進(jìn)行定量梳理和分析。

首先，在車(chē)輛的仿真結(jié)果中，共提供3個(gè)數(shù)據(jù)，分別是列車(chē)牽引能耗、列車(chē)輔助能耗及列車(chē)再生制動(dòng)反饋能量。由于車(chē)輛仿真的模型僅為單車(chē)牽引模型，因此不涉及供電相關(guān)設(shè)備，則列車(chē)再生制動(dòng)反饋能量為車(chē)輛制動(dòng)產(chǎn)生的所有能量。而在實(shí)際牽引系統(tǒng)中，一方面由于車(chē)輛制動(dòng)反饋給牽引網(wǎng)能量時(shí)會(huì)將牽引網(wǎng)網(wǎng)壓抬升，根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)牽引網(wǎng)壓超過(guò)1 800 V（DC1500V牽引系統(tǒng)），列車(chē)將從電制動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械制動(dòng)，不再往牽引網(wǎng)返送能量；另一方面，在直流供電仿真中，同一供電區(qū)間內(nèi)可能存在多輛列車(chē)，列車(chē)之間牽引取流和制動(dòng)返送能量狀態(tài)相互影響，很難直接用一個(gè)值去進(jìn)行衡量。因此，單車(chē)單程能耗不能簡(jiǎn)單地使用列車(chē)單車(chē)單程總能耗（牽引和輔助）減去列車(chē)再生制動(dòng)反饋能量，因?yàn)檫@里的列車(chē)再生制動(dòng)能量不是100%被返送到牽引網(wǎng)。

其次，對(duì)于牽引供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，整流機(jī)組輸出能耗+再生設(shè)備吸收能耗（如有）+傳輸過(guò)程損失能耗=列車(chē)牽引能耗+列車(chē)輔助設(shè)備能耗+再生設(shè)備輸出能耗（如有）。其中，將車(chē)輛能耗結(jié)果作為輸入條件，則通過(guò)仿真可以得到上述參數(shù)。

而對(duì)于整個(gè)直流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，再生制動(dòng)能量來(lái)自車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程。車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程一般來(lái)說(shuō)分為2個(gè)階段，第一階段為電制動(dòng)，即向牽引網(wǎng)返送能量，此時(shí)牽引網(wǎng)壓升高，當(dāng)牽引網(wǎng)網(wǎng)壓達(dá)到閾值后，列車(chē)開(kāi)始第二階段轉(zhuǎn)為機(jī)械制動(dòng)，因此首先需要保證的是牽引網(wǎng)壓盡可能不要超過(guò)牽引網(wǎng)壓的閾值限制，這樣就能夠保證盡可能多的制動(dòng)能量被返送到牽引網(wǎng)，而不是被機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。

通過(guò)上面的分析可知，影響直流系統(tǒng)牽引能耗的最重要的因素共有2個(gè)，一個(gè)是同一供電區(qū)間內(nèi)車(chē)輛的狀態(tài)，如在同一供電區(qū)間內(nèi)，一車(chē)制動(dòng)返送能量，另一車(chē)牽引吸收能量，則可以減少整流機(jī)組能量輸出，而對(duì)于這個(gè)因素本文將用發(fā)車(chē)間隔進(jìn)行替代；另一個(gè)是能否在車(chē)輛返送能量時(shí)，通過(guò)其他方式將這部分能量進(jìn)行存儲(chǔ)。根據(jù)供電系統(tǒng)的特性和實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，將第一個(gè)因素定量成發(fā)車(chē)間隔，選取高峰時(shí)刻和平峰時(shí)刻做兩組仿真進(jìn)行結(jié)果對(duì)比；對(duì)于第二個(gè)因素來(lái)說(shuō)，由于車(chē)輛本身無(wú)法滿(mǎn)足單車(chē)單程能耗要求，因此只能選擇儲(chǔ)能型供電再生設(shè)備幫助車(chē)輛節(jié)省能耗，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)以及核算，最終選擇了飛輪作為波哥大輕軌項(xiàng)目的再生設(shè)備[6]。下面通過(guò)車(chē)輛仿真結(jié)果及直流仿真結(jié)果對(duì)單車(chē)單程的能耗進(jìn)行分析。

1.2? 車(chē)輛仿真結(jié)果分析

根據(jù)車(chē)輛廠家提供的仿真報(bào)告進(jìn)行整理可得表1。 由表1可知，在沒(méi)有任何再生能量吸收的情況下，車(chē)輛單車(chē)單程的最大能耗為590.12 kWh，大于合同要求的480 kWh，因此必須通過(guò)核算再生能量計(jì)算單車(chē)單程的能耗。

以Facatativa—Call 26為例，當(dāng)車(chē)輛牽引時(shí)，其單車(chē)單程所需的所有能耗為590.12 kWh。當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，車(chē)輛向牽引網(wǎng)返送能量，這部分能量稱(chēng)為車(chē)輛再生制動(dòng)能量共計(jì)295.69 kWh。如要滿(mǎn)足合同要求，上行Call 26—Facatativa再生能量應(yīng)至少為587.5-480=107.5 kWh，再生能耗占比為107.5/587.5=19%；下行Facatativa—Call 26再生能量應(yīng)至少為590.12-480=110.12 kWh，再生能耗占比為110.12/590.12=19%。

綜上，為了滿(mǎn)足合同要求則必須要求車(chē)輛的再生能耗占比應(yīng)至少為19%，才能滿(mǎn)足合同單車(chē)單程480 kWh的要求。

1.3? 直流仿真結(jié)果分析

對(duì)于直流仿真來(lái)說(shuō)，沒(méi)法將上行和下行分開(kāi)，因此為了滿(mǎn)足合同要求，則直流仿真的再生能耗總體占比必須大于19%。

從本文1.1的參數(shù)分析可知，運(yùn)營(yíng)圖對(duì)能耗有較大的影響，例如在高峰時(shí)刻，一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)存在2輛車(chē)的概率較大，而在平峰時(shí)刻，一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)存在2輛車(chē)的概率極低，則車(chē)輛之間能量相互吸收的可能性更低，同時(shí)再生儲(chǔ)能裝置在平峰時(shí)刻的使用率也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高峰時(shí)刻。因此擬采用下面2種仿真工況開(kāi)展仿真工作，第一種仿真工況為選取運(yùn)營(yíng)圖05：00：00—05：19：42時(shí)間段開(kāi)展高峰時(shí)刻直流仿真工作；第二種仿真工況為選取運(yùn)營(yíng)圖11：00：00—11：20：00時(shí)間段開(kāi)展平峰時(shí)刻直流仿真工作。

根據(jù)上述分析，建立波哥大輕軌項(xiàng)目模型并進(jìn)行仿真，得到高峰時(shí)刻能耗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在05：00：00—05：19：42高峰時(shí)間段內(nèi)，牽引機(jī)組輸出的總能耗為3 294 kWh，再生設(shè)備吸收能耗為183 kWh（再生設(shè)備初始儲(chǔ)能設(shè)為0 kWh），釋放能耗為129 kWh，飛輪設(shè)備平衡能耗為10 kWh（此能耗包含在54 kWh內(nèi)），列車(chē)總耗能為4 043 kWh，實(shí)際再生制動(dòng)能耗為956 kWh，總損耗能耗為154 kWh。

根據(jù)本文1.1的分析可得，列車(chē)牽引總能耗（4? 043 kWh）+傳輸過(guò)程損失能耗（154 kWh）+再生設(shè)備吸收能耗（183 kWh）=整流機(jī)組總輸出能耗（3 294 kWh）+列車(chē)制動(dòng)實(shí)際返送能耗（956 kWh）+再生設(shè)備輸出能耗（129 kWh）。根據(jù)上面公式，得到在在05：00：00—05：19：42高峰時(shí)間段內(nèi)所有車(chē)輛的總能耗為4 043 kWh，這個(gè)值只跟列車(chē)的運(yùn)營(yíng)圖有關(guān)，即有多少輛車(chē)在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行牽引，跟車(chē)輛間能耗是否相互吸收，是否設(shè)置再生設(shè)備無(wú)關(guān)，則將該值類(lèi)比為車(chē)輛仿真中的總牽引能耗。則按照上述分析，對(duì)于車(chē)輛本身來(lái)說(shuō)，其再生能耗占比為956/4 043=23.64%。對(duì)于再生設(shè)備來(lái)說(shuō)，其釋放儲(chǔ)能只是幫助牽引整流機(jī)組節(jié)省能耗，對(duì)于車(chē)輛的再生制動(dòng)能耗來(lái)說(shuō)沒(méi)有影響，而吸收儲(chǔ)能則跟車(chē)輛再生制動(dòng)有直接關(guān)系，首先再生設(shè)備吸收儲(chǔ)能一定是在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，而再生設(shè)備吸收儲(chǔ)能可以看成是這段供電區(qū)間內(nèi)另外一個(gè)供電負(fù)荷，因此再生設(shè)備的吸收儲(chǔ)能吸收占比為183/4 043=4.5%，則如果不設(shè)置再生儲(chǔ)能設(shè)備，對(duì)于車(chē)輛本身來(lái)說(shuō)，其再生能耗占比為23.64%-4.5%=19.14%，也是滿(mǎn)足合同要求的。因此在高峰時(shí)刻，列車(chē)無(wú)論是否投入再生儲(chǔ)能設(shè)備，其都滿(mǎn)足合同要求的單車(chē)單程480 kWh的要求。

根據(jù)本文1.1的分析，列車(chē)單車(chē)單程能耗在高峰時(shí)刻和平峰時(shí)刻是有區(qū)別的，因此建立波哥大輕軌項(xiàng)目模型并進(jìn)行仿真，得到平峰時(shí)刻能耗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在11：00：00—11：20：00平峰時(shí)間段內(nèi)，牽引機(jī)組輸出的總能耗為1 830 kWh，再生設(shè)備吸收能耗為124 kWh（再生設(shè)備初始儲(chǔ)能設(shè)為0 kWh），釋放能耗為95 kWh，飛輪設(shè)備平衡能耗為10 kWh（此能耗包含在29 kWh內(nèi)），列車(chē)總耗能為2 058 kWh，實(shí)際再生制動(dòng)能耗為416 kWh，總損耗能耗為159 kWh。

根據(jù)本文1.1的分析可得，列車(chē)牽引總能耗（2? 058 kWh）+傳輸過(guò)程損失能耗（159 kWh）+再生設(shè)備吸收能耗（124 kWh）=整流機(jī)組總輸出能耗（1 830 kWh）+列車(chē)制動(dòng)實(shí)際返送能耗（416 kWh）+再生設(shè)備輸出能耗（95 kWh）。根據(jù)上面公式，得到在11：00：00—11：20：00平峰時(shí)間段內(nèi)所有車(chē)輛的總能耗為2 058 kWh，這個(gè)值只跟列車(chē)的運(yùn)營(yíng)圖有關(guān)，即有多少輛車(chē)在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行牽引，跟車(chē)輛間能耗是否相互吸收，是否設(shè)置再生設(shè)備無(wú)關(guān)，則將該值類(lèi)比為車(chē)輛仿真中的總牽引能耗。則按照上述分析，對(duì)于車(chē)輛本身來(lái)說(shuō)，其再生能耗占比為416/2 058=20.21%。對(duì)于再生設(shè)備來(lái)說(shuō)，其釋放儲(chǔ)能只是幫助牽引整流機(jī)組節(jié)省能耗，對(duì)于車(chē)輛的再生制動(dòng)能耗來(lái)說(shuō)沒(méi)有影響，而吸收儲(chǔ)能則跟車(chē)輛再生制動(dòng)有直接關(guān)系，首先再生設(shè)備吸收儲(chǔ)能一定是在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，而再生設(shè)備吸收儲(chǔ)能可以看成是這段供電區(qū)間內(nèi)另外一個(gè)供電負(fù)荷，因此再生設(shè)備的吸收儲(chǔ)能吸收占比為124/2 058=6.0%，則如果不設(shè)置再生儲(chǔ)能設(shè)備，對(duì)于車(chē)輛本身來(lái)說(shuō)，其再生能耗占比為20.21%-6.0%=14.21%，這是不滿(mǎn)足合同要求的。這是因?yàn)槠椒鍟r(shí)刻發(fā)車(chē)間隔較大，同一供電區(qū)間內(nèi)存在2輛車(chē)的概率特別低，因此必須使用再生設(shè)備幫助儲(chǔ)能，否則無(wú)法滿(mǎn)足合同要求。

將上面的分析進(jìn)行整理得到表2。

根據(jù)本文1.2的結(jié)果可知，如要滿(mǎn)足合同要求，則再生能耗總體占比必須大于19%。根據(jù)上面的結(jié)果可以看出，在高峰時(shí)刻，即使不上任何措施，再生能耗總體占總體能耗的比例為19.14%，其滿(mǎn)足合同要求；但是在平峰時(shí)刻，在不上任何再生設(shè)備時(shí)，再生能耗總體占總體能耗的比例為14.21%，不能滿(mǎn)足合同要求，因此必須通過(guò)添加再生設(shè)備幫助車(chē)輛增加再生能耗，通過(guò)增加再生設(shè)備，最終使得整體再生能耗從14.21%提高到20.21%，滿(mǎn)足合同要求。

綜上，雖然由于各種原因?qū)е聼o(wú)法通過(guò)車(chē)輛仿真直接證明單車(chē)單程能耗滿(mǎn)足合同要求，但是本節(jié)通過(guò)對(duì)車(chē)輛仿真及直流仿真的分析，將單車(chē)單程能耗轉(zhuǎn)換為再生能耗的占比后，成功證明單車(chē)單程的能耗滿(mǎn)足合同要求并得到國(guó)外監(jiān)理的認(rèn)可和批復(fù)。

2? 結(jié)論

一般國(guó)內(nèi)軌道交通項(xiàng)目中的單車(chē)單程能耗在車(chē)輛仿真過(guò)程中已經(jīng)滿(mǎn)足要求，而本文依托的波哥大輕軌項(xiàng)目其當(dāng)?shù)仉娏Y源較為稀缺，同時(shí)由于波哥大作為全球車(chē)流量第六大的城市，其客流較大，在考慮車(chē)輛能耗時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r采用超載模型進(jìn)行建模，因此所需的牽引能耗遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)同等規(guī)模的輕軌項(xiàng)目。

一般來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)類(lèi)似軌道交通項(xiàng)目?jī)H預(yù)留再生設(shè)備位置，不直接上再生設(shè)備，這是因?yàn)閲?guó)內(nèi)高峰時(shí)刻（2 min發(fā)車(chē)間隔）在不設(shè)置任何再生設(shè)備的情況下再生能耗占總牽引能耗的比例在40%～50%，而本項(xiàng)目為大小交路套跑，市區(qū)段發(fā)車(chē)間隔為4 min，郊區(qū)段發(fā)車(chē)間隔為12 min，因此在不加任何再生設(shè)備的情況下再生能耗占總牽引能耗的比例僅為19.14%，而在平峰時(shí)間段更為嚴(yán)重，波哥大輕軌項(xiàng)目在平峰時(shí)刻郊區(qū)段每個(gè)供電區(qū)間內(nèi)僅有一輛車(chē)，市區(qū)段有2輛車(chē)的概率也極低。因此本項(xiàng)目為了滿(mǎn)足合同要求的單車(chē)單程能耗必須額外增加再生設(shè)備[6]。最終通過(guò)對(duì)高峰平峰時(shí)刻的仿真，在增加再生設(shè)備的情況下使得正常工況下的所有運(yùn)營(yíng)方案均能滿(mǎn)足合同要求。

本文主要探討了單車(chē)單程能耗在直流仿真中的一種計(jì)算方式，以波哥大輕軌項(xiàng)目為例進(jìn)行了分析計(jì)算，以期為今后類(lèi)似要求提供一種計(jì)算方案及案例依據(jù)。

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