上海城市軌道交通2號線車輛電阻制動能耗計算*

方 宇 堯輝明 楊 儉

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海∥第一作者,副教授)

城市軌道交通車輛在電氣制動過程中如果滿足再生制動條件,則優先實施再生制動,將電機產生的能量反饋至電網加以再利用;如果不滿足再生制動條件則實施電阻制動,將電機產生的能量通過車載電阻加以釋放。電阻制動能量被轉換成熱能,釋放在地鐵隧道內,給環境帶來很大影響的同時,也造成了能源浪費[1-2]。本文將針對上海軌道交通2號線車輛的運行曲線進行分析,對電阻制動能量消耗采用計算機軟件進行計算。

1 車輛運行曲線分析

為了研究電阻制動時的能量消耗,就一定需要了解制動時所產生的電流與電壓的關系,因此車輛運行曲線就顯得十分重要。通過分析車輛的運行曲線,用計算機軟件對電阻制動過程中的能量消耗進行詳細計算,從而為下一步的研究工作奠定基礎。

1.1 運行曲線的取得

作者對上海軌道交通2號線AC02型車輛的運行進行了在線測試。測試內容包括車輛運行過程中的接觸網電壓、牽引電流、中間電壓、電阻制動電流等,測試采用WV124E型記錄分析儀來完成。

在AC02型車輛的牽引系統中,由于已經安裝了部分電壓傳感器與電流傳感器,可以在記錄儀上直接選取觸網電壓(UN)、中間電壓(UD)和牽引電流(ID)這3個參數進行測量;電壓傳感器輸出電壓1 V所對應的電壓為250 V,電流傳感器輸出電壓1 V所對應的電流為500 A。對于電阻制動時制動電阻工作電流的測量,由于制動電阻的接線為雙線連接,需要單獨加裝2個電流傳感器進行測量并記錄,從而完成整個測試工作。

測量完成后,記錄儀存儲的數據文件是“TXT”格式,也是明顯的表格格式。通過相關軟件,可以利用原始數據繪制出不同行車區間的運行曲線圖。圖1為上海軌道交通2號線AC02型車輛在北新涇站至威寧路站運行區間的接觸網電壓、中間電壓、制動電流和牽引電流的變化情況。

1.2 運行曲線分析

對圖1進行分析可見,接觸網電壓和中間電壓隨著牽引電流的變化波動比較明顯。牽引電流抬升到近700 A時,線網電壓由1 600 V下降至1 400 V左右,由于再生制動的作用隨即升高到1 730 V左右;到電阻制動的中間段,出現了線網電壓接近1 800 V左右的持續區段。造成此現象的最重要原因,可能是鄰線有列車在進行電氣制動,而使線網電壓忽然升高。

圖1 上海軌道交通2號線北新涇站—威寧路站運行測試曲線

在時間t=67 s左右時,列車開始進行電阻制動,持續了近10 s左右,最大電阻制動電流為920 A。觀察此階段的線網電壓,發現電壓在低于1 800 V附近持續,但不會超過1 800 V;此階段的牽引電流為負、電流反向,給制動電阻供電以消耗列車運行的動能。

綜上所述可以看出,車輛在北新涇站至威寧路站區間的運行過程中,在含有電阻制動的牽引電流反饋區段,其電阻制動電流為正值,即整個反饋區段全部為電阻制動而沒有再生制動,非常適合于用作車輛電阻制動能耗計算分析。因此,本文將以北新涇站至威寧路站區間所測結果作為原始數據進行電阻制動能耗計算。

2 電阻制動能耗的計算方法

2.1 電阻制動能耗計算的前期數據處理

1)先進行觀察,找出電阻制動有效數據大致所在位置,復制其前、后10 s的數據,保存至一新建TXT文件中;

2)將TXT文件轉換成為標準的工作表。該工作表有5列數據,其中第1列為時間,第5列為制動電阻電流。將此文件另存以備后用。

2.2 電阻制動能耗計算方法

數據準備完畢后,對電阻制動能耗計算算法進行設計和計算程序的編寫。圖2是能耗計算的算法框圖,其程序由“Visual Basic”軟件實現。能耗計算算法的主要步驟如下：

1)首先進行數據的初始化,除變量A=1以外,所有變量的初始值均為0。

2)選取第5列的第A至A+99個單元格作為R1區域,并將D清零。

3)將R1區域的第1與第2個單元格內的數據賦給變量B與C。

4)利用式(1)對第1和第2單元格的電阻制動能量消耗進行計算：

將B與C取平均數后作為0.001 s(所獲取每一行原始數據的時間間隔為0.000 5 s)內的電流平均值。地鐵車輛制動電阻值一般為2 Ω,因此0.001 s內車輛制動電阻所消耗的能量為：

5)讀入R1區中第2個與第3個單元格內的數據,將其再分別賦給B與C,重新執行步驟4),并將計算結果累加到變量D中去。依此類推,將R1區域時間段內的電阻制動消耗能量全部計算出來。

6)比較變量D是否≥80(80是所有單元格的數據均為背景干擾的中值20時可計算出的變量D值,這里作為有效數據的闕值),若超過,則將N的數目累加1,并將D累加到E;若不超過,則使N與E都清零。(注：①背景干擾可能產生的值有10、20、30、40,其中40出現很少,因此將20作為背景干擾的中值。②在程序中插入一個計數器來計算將100個數據累加到D的次數,當進入有效區后返回一個值,在有效區域結束后再返回一個值,這樣就可以達到定位有效區域的目的。此定位方式的精度是0.1 s。)

7)為了保證背景干擾的突變不會被認作是有效區域的開始,則需要當N=5(即連續5次的D值都超過80這個闕值后),才被認為進入了有效區域。當進入有效區域(即N=5)后,繼續步驟8);不然,則使A=A+100后,返回步驟2),即繼續計算并檢驗后面100個數據,直到N=5為止。

8)此步驟是在進入有效區域后進行,先使A=A+100,然后執行步驟 2)、3)、4)、5)。執行完后得到D,然后比較變量D是否小于80。若D＜80,則將M的數目累加1;若D≥80則使M清零。不論D＜80或D≥80,將D累加到E。

9)當M=5,即連續5次的D值都小于背景干擾的中值20時,可計算出變量D的闕值后,即被認為是已經離開有效區域。

10)此時變量E即為在這段電阻制動有效區域內所消耗的能量,單位是J。

利用2007年6月9日13：57：06采集的北新涇站至威寧路站車輛運行測試數據作為本次計算的原始數據,經過計算后,得到在有效區域內的制動電阻能量消耗為388 751 J(可換算成0.108 kW?h)。電阻制動有效區域持續時間為 7.2 s,從68.061～75.261 s是有效區域。

圖2 電阻制動能耗計算算法框圖

3 電阻制動能耗計算結果分析

本次計算使用的數據是在周末采集的。相對于工作日的高峰期,周末下午2點左右是客流較少的時間段。本次所測電阻制動的能量消耗與高峰時段相比肯定相對較小,而與工作日的一般時段相比相差無幾,因此可使用本次計算的結果作為一般時段內的典型數據來進行近似計算分析。

3.1 一般時段電阻制動能量消耗分析

在一般時段內,根據軟件計算結果,車輛由北新涇路站至威寧路站運行期間1次電阻制動所消耗的能量為0.108 kW?h。

由于列車自動控制的關系,列車在相同載重、相同區間上的制動能量消耗基本相同。因此若按照每天在一般時段內發車100列計,則一般時段1天內所發列車在北新涇站至威寧路站區間所消耗電阻制動能量總和為10.8 kW?h。按照上海兩部制工業用電價0.591元/(kW?h),7、8、9月按照夏季電價 0.621元/(kW?h)來計算,一年需花費2 359.53元。

3.2 早、晚高峰時段電阻制動能量消耗分析

在一般時段,車輛載客按滿員的70%計,就是225人/節(滿員為322人);按平均每人60 kg計,每節車輛的載重為13.5 t;每節車輛的自重按60.6 t計,則6節編組列車的總重為444.6 t。在高峰時段,車輛載客超員(410人/節),則6節編組列車總重511.2 t。

若簡單地按照總重來計算電阻制動所消耗能量,則在高峰時1列車通過北新涇站至威寧路站區間所消耗的電阻制動能量約為0.124 kW?h。若按每天高峰時段發車76列來計算,則1天內高峰時段列車在北新涇站至威寧路站區間所消耗的電阻制動總能量為9.424 kW?h,高峰時段 1年需花費2 058.91元,則列車在北新涇站至威寧路站區間1年消耗在電阻制動上的費用為4 418.44元。

4 結語

根據本文對電阻制動的能量消耗計算可以發現,上海軌道交通2號線1年中僅在北新涇站至威寧路站單向區間內消耗在電阻制動上的費用就達4 000多元。經測試,2號線共有5個區間存在電阻制動,按雙向計算后,2號線1年在電阻制動上的電費將近5萬余元。

隨著我國地鐵車輛的不斷增加,在電阻制動上浪費的電能將越來越大。因此,找到減少,甚至替代城市軌道車輛電阻制動的方法無疑是十分重要的。比如,通過目前應用極為廣泛的超級電容裝置,對再生制動能量進行回收并加以合理利用等。這對我國建設節約型社會具有十分重大的意義。

[1] 殳企平.城市軌道交通車輛制動技術[D].上海：上海工程技術大學城市軌道交通學院,2005.

[2] 劉寶林.地鐵列車能耗分析[J].電力機車與城軌車輛,2007,30(4)：65.