列車操控模式對列車能耗的影響

王彥崢

0 引言

新中國成立60 年來，國內的城市軌道交通從無到有，從單一線路到四通八達，實現了跨越式發展。進入21 世紀以來，隨著國家經濟的飛速發展和城市化進程的加快，城市軌道交通也得到長足發展。截至2013 年6 月，內地15 座城市已建成運營的數十條城市軌道交通線路運營里程已達1 986 km。目前城市軌道交通發展最快的京、滬、穗三地的運營里程都已突破千公里，其中運營里程最長的上海已達473 km 以上，北京已達456 km，廣州地鐵也超過240 km。至2020 年，京、滬、穗三地的城市軌道交通運營里程都將超過500 km。目前還有諸多城市的軌道交通正在規劃和設計之中，而3 大城市軌道交通的遠景規劃都有望突破1 000 km。

大規模的地鐵項目的運營，需要巨大的電能消耗和強大的電力系統支持。地鐵系統的最重要的電能消耗就是列車，對列車的能耗使用情況進行分析研究，不論在設計階段還是運營階段都是十分重要的，它直接或間接影響整個系統設計的科學準確性和未來數十年甚至百年的運營的經濟性。本文將從列車運行操控模式方面對列車能耗進行分析，以期引起重視并提出合理化建議。

目前國內地鐵普遍采用的列車操控模式主要有2 種：一種是采用牽引-惰性-制動的控制模式（以下簡稱惰行模式），另一種是采用牽引-巡航-制動的模式（以下簡稱巡航模式）。這2 種操控模式在國內地鐵均有應用，已建的大部分地鐵采用惰行模式運行，深圳地鐵1 號線、4 號線以及香港地鐵采用巡航模式運行。從乘客舒適度看，巡航模式下列車運行更平穩，乘客舒適度更好，更有利于列車智能控制；從能耗角度看，巡航模式下由于不能很好的利用線路勢能，單列車的牽引能耗一般相對較高、制動能量也相應增大。本文主要從能耗的角度對本線的列車運行模式進行分析并提出建議。

1 不同操控模式下的系統能耗分析

為使不同列車操控模式下的系統能耗對比更量化、更清晰，可以使用專業的計算機仿真軟件對選定的某地鐵工程案例進行典型性的案例分析。下文利用專業仿真軟件結合工程案例對2 種操控模式下的列車能耗情況進行模擬和統計對比分析。

1.1 不同操控模式下的列車能耗統計及分析

利用列車運行模擬軟件，對2 種操控模式下的列車運行進行模擬，其模擬結果能耗對比見表1。

表1 2 種操控模式下列車能耗對照表

圖1 顯示了某案例工程的一個典型區間中，在2 種操控模式下列車運行曲線。可以看出，巡航模式下，列車取電時間和再生電流持續時間都更長。

圖1 不同操控模式下列車運行曲線圖

從表1 的統計結果可以看出，巡航模式單列車的牽引能耗相對較高，但其制動能量也有所增高。過去列車采用直流斬波電機（如北京地鐵1 號線的老車輛），列車無法實現再生制動，列車制動能量無法向牽引網反饋，列車的牽引能耗直接決定整個地鐵的系統牽引耗電。在該情況下，列車的操控模式對系統的能耗影響較大，從表1 可以看出，巡航模式的牽引耗電是惰行模式下的1.23 倍，能耗相差較大。目前國內地鐵車輛均已采用具有再生制動功能的VVVF 車輛，直流牽引系統全線貫通為一體，列車制動能量很大部分會被相鄰的列車利用，因此單列車的列車運行模擬結果并不能真實反映整個系統的能耗差異，應該從全線、全系統的角度進行全線牽引供電網絡仿真計算和分析。據此，下文對2 種列車操控模式下的全線供電系統進行不同運營時期的仿真計算，并進行統計分析。

1.2 不同操控模式下的饋出功率統計及分析

目前地鐵已經普遍采用VVVF 車輛，可以將列車再生制動能量向牽引網反饋，因此供電系統仿真計算過程中應充分考慮列車再生能量在牽引網中的分布。而要做好列車運行能耗的分析，不僅要對列車的運行進行仿真模擬，還要在列車運行模擬基礎之上利用牽引供電系統仿真軟件分別對2 種操控模式的全線牽引供電系統的能耗分布情況進行模擬分析，才能使分析的結論更切合目前軌道交通的實際情況。鑒于此，對全線各種追蹤間隔下供電系統的牽引所饋出功率統計如表2 所示。

從表2 可以看出，考慮VVVF 車輛的再生制動功能后，采用惰性操控模式相對巡航操控模式更節能；在列車密度較低時，惰行模式比巡航模式的節能效果更佳；列車高密度運行時，巡航模式的節能效果并不十分明顯。這主要是因為在列車密度較高時，再生能量被相鄰列車吸收的比例較高，雖然巡航模式的純牽引耗電較高，但相應的再生能量也較高，因此遠期列車密度較高時，巡航模式的系統牽引總能耗增加并不明顯，而初、近期及非高峰時段則比較明顯。

地鐵列車的開行方案特點是早晚高峰小時列車密度高，其余時段列車密度低，全天各時段的列車開行密度呈雙駝峰分布。根據案例工程各運營年度的列車開行方案，分別對2 種操控模式下供電系統在各種列車追蹤間隔下的系統饋出能量分布情況進行仿真模擬，結合不同運營期全日各時段的列車密度統計各運營階段的2 種操控模式下系統年牽引耗電情況如表3 所示。

從表3 統計數據可以看出，采用惰行模式具有較好的節能效果。

表2 2 種列車操控模式下，牽引所總饋出功率比較表

表3 各運營階段的2 種操控模式下系統年牽引耗電情況表

2 結論與建議

根據上述模擬統計數據和分析，初步得到以下結論：

（1）當地鐵采用無再生功能的車輛時，從列車運行模擬的統計結果看，采用巡航操控模式的系統能耗高于惰行操控模式23%；初步估算采用巡航操控模式遠期每年案例工程將增加電費約2000 萬元。因此，在地鐵采用無再生功能的車輛時，從節能減排、節省運營費的角度出發，采用惰行操控模式控制列車運行具有較好的經濟性。

（2）當地鐵采用有再生功能的車輛時，從案例工程的牽引供電系統仿真結果看，采用惰行模式，在各運營年度均有一定的節能效果。對各種列車追蹤間隔下變電所饋出功率統計結果看，惰行模式在列車密度較小時，其節能效果更明顯。結合各年度列車開行計劃下的模擬結果進行統計，運營期列車若采用惰行模式操控運行，相對巡航操控模式，每年電能節省約450～500 萬度；按照每度電0.7 元估算，采用惰行模式年節約電費約315～350萬元；按照30 年統計，約節約電能1.38 億度，按照目前電價估算，30 年約節約運營成本0.97 億元。

因此，在地鐵采用有再生功能的車輛時，從節約運營費用的角度考慮，建議列車采用惰行模式運行。

[1] GB50157-2003 地鐵設計規范[S].

[2] TB/T1407-1998 列車牽引計算規程[S].