城市軌道交通列車牽引和制動能耗實測分析

許伶俐，劉煒，廖鈞，崔夢雨，劉聰，王棟

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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城市軌道交通列車牽引和制動能耗實測分析

許伶俐，劉煒，廖鈞，崔夢雨，劉聰，王棟

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

針對上海地鐵3、4號線列車運(yùn)行能耗進(jìn)行測試，分析列車牽引、惰行、制動工況下的牽引取流、牽引網(wǎng)網(wǎng)壓、制動電阻電流、制動電阻電壓與運(yùn)行速度之間的關(guān)系，評估制動/牽引能耗比。以上海4號線為例對所選區(qū)間段進(jìn)行建模仿真，再現(xiàn)列車運(yùn)行和牽引、制動能耗過程，分析結(jié)果表明列車電阻制動能耗占牽引能耗的34.93%～55.71%，因此對制動能量通過回饋或存儲的方式加以利用，其節(jié)能效果對我們國家的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

城市軌道車輛；牽引能耗；制動能耗

中國城市化進(jìn)程加速，對城市軌道交通的需求也日益增加[1]。目前中國已有39座城市獲批建設(shè)城市軌道交通，每年投資額近3 000億元，市場空間巨大[2-4]。城市軌道交通作為名副其實的能耗大戶，其節(jié)能工作是未來需要關(guān)注的一個重點領(lǐng)域，因此對城市軌道列車的牽引、制動能耗進(jìn)行分析是十分必要的。城市軌道列車制動形式正逐漸由電阻制動轉(zhuǎn)為再生制動[5-7]，列車制動能量的沿線分布、制動能量占牽引能耗的比例和數(shù)量對地面制動電阻、逆變回饋裝置、儲能式再生制動能量利用裝置的容量和選址設(shè)計有著重要的作用[8-10]。國內(nèi)外對制動能量的建模及仿真較多，有全線實測數(shù)據(jù)支撐的結(jié)論和研究較少。師蔚等[11]構(gòu)建了城市軌道車輛電氣制動能量建模及仿真，但并沒有實測數(shù)據(jù)加以驗證。Yang等[12]同樣建立了城市軌道車輛電氣制動能量仿真模型，并選取一段線路進(jìn)行驗證分析，但未考慮運(yùn)行速度和線路條件的影響。本文以上海地鐵3號線、4號線的列車能耗測試為例分析列車牽引和制動過程，評估制動/牽引能耗比，并通過仿真再現(xiàn)了列車的運(yùn)行過程[13-14]。

1　測試背景

上海地鐵3號線是一條以高架為主的地鐵線路，由上海南站始發(fā)至江楊北站終點站，共設(shè)29座車站，全長40.3 km。上海地鐵4號線為一條環(huán)狀線，始發(fā)站為宜山路站，環(huán)繞一圈途徑26座車站再回至宜山路站，該線全長33.6 km。上海地鐵3號線、4號線列車均采用A型車，寬3 m，編組類型均為4動2拖6節(jié)編組，每列車配置4個制動電阻箱，均采用車載制動電阻消耗列車制動能量。其中4號線測試車輛總長為140 m，負(fù)載類型為AW3，總重368 t，其制動電阻箱的參數(shù)如表1所示。

表1　車載制動電阻箱參數(shù)

為了更好地研究列車的能耗情況及列車能耗與其他因素的關(guān)系，需要對列車的牽引取流、受電弓處牽引網(wǎng)網(wǎng)壓、制動電阻電流、制動電阻電壓和運(yùn)行速度進(jìn)行同步檢測，具體測量方案如圖1所示。在2處受電弓處(圖1中方框表示)和4處制動電阻處(圖1中圓圈表示)分別安裝電壓、電流傳感器。在車底處安裝多普勒雷達(dá)(圖1中五角星表示)，測得列車的運(yùn)行速度。數(shù)據(jù)通過城市軌道電能質(zhì)量監(jiān)測儀進(jìn)行同步記錄存儲，并最終通過計算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

圖1　測試數(shù)據(jù)獲取位置示意圖Fig.1 Obtain location of Measured date

列車牽引取流和受電弓處牽引網(wǎng)網(wǎng)壓的測試設(shè)備安裝圖片如圖2所示。車載制動電阻流過的電流和兩端電壓的測試設(shè)備安裝圖片如圖3所示。列車運(yùn)行速度的測試設(shè)備(車底多普勒雷達(dá))安裝圖片如圖4所示。

列車2處受電弓取流分別為i1和i2，牽引網(wǎng)電壓分別為u1和u2，四處制動電阻處測得的列車制動電流分別為iR1,iR2,iR3和iR4，制動電阻端電壓分別為uR1,uR2,uR3和uR4，則牽引能耗的表達(dá)式如式(1)。

(1)

式中:為列車出發(fā)時刻，為列車運(yùn)行時間。

制動電阻能耗表達(dá)式如式(2)：

(2)

本次測試在列車每站停車的情況下進(jìn)行，模擬列車AW3負(fù)載工況下的駕駛狀態(tài)。

2　測試結(jié)果分析

2.1區(qū)間能耗分析

上海地鐵3號線測試結(jié)果如圖2所示，該數(shù)據(jù)統(tǒng)計為列車由江楊北站出發(fā)至上海南站的測試結(jié)果。由各區(qū)間的能耗直方圖可以看出，牽引能耗絕大部分都大于制動能耗，只有個別區(qū)間制動能耗與牽引能耗近乎相等。經(jīng)統(tǒng)計，江楊北站至上海南站測試的列車全程運(yùn)行平均速度為43.79 km/h，總牽引能耗為821.90 kWh(未考慮停站能耗)，總電阻制動能耗為428.82 kWh,制動電阻上消耗的能量相對牽引能量的比值為52.17%。

圖2　上海地鐵3號線各區(qū)間牽引、制動能耗直方圖Fig.2 Shanghai Metro Line 3 interval consumption histogram of traction and braking

上海地鐵4號線測試結(jié)果如圖3所示，該數(shù)據(jù)統(tǒng)計為列車由宜山路站出發(fā)延內(nèi)圈環(huán)線逆時針行駛一圈的測試結(jié)果。由圖中各區(qū)間能耗直方圖可以看出，僅有在虹橋路至宜山路區(qū)間，列車的制動能耗大于牽引能耗，其余區(qū)間列車的牽引能耗均大于制動能耗。經(jīng)統(tǒng)計，列車在上海地鐵4號線內(nèi)圈的逆時針測試，列車全程運(yùn)行平均速度為39.61 km/h，總牽引能耗為557.60 kWh(未考慮停站能耗)，總電阻制動能耗為231.87 kWh，制動電阻上消耗的能量相對牽引能量的比值為41.58%。

2.2區(qū)間特例分析

以上海地鐵3號線鐵力路至友誼路區(qū)間段的列車運(yùn)行情況為例，分析上海地鐵3號線列車的具體運(yùn)行情況，其運(yùn)行曲線如圖4所示。列車在該區(qū)段運(yùn)行時進(jìn)行了4次牽引，2次連續(xù)制動，當(dāng)列車牽引加速時，兩處受電弓總?cè)×鹘?jīng)過4 s迅速提升至3 985 A，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓降落至1 314 V,大取流過程持續(xù)7 s后，列車惰行。T=94秒，列車速度由74 km/h，開始進(jìn)站制動，經(jīng)過41 s制動進(jìn)站。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，列車在該區(qū)段的牽引能耗為53.85 kWh，制動電阻能耗為17.44 kWh。，并在該區(qū)間運(yùn)行的第96 s，制動電阻流過的總電流達(dá)到3 671 A，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓被抬高至1 778～1 888 V范圍內(nèi)。

圖3　上海地鐵4號線各區(qū)間牽引、制動能耗直方圖Fig.3 Shanghai Metro Line 4 interval consumption histogram of traction and braking

以上海地鐵4號線特殊區(qū)段為例，分析列車在特殊線路條件區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行情況，其中列車內(nèi)圈逆時針運(yùn)行時，由虹橋路開往至宜山路的運(yùn)行曲線如圖5所示。

圖4　鐵力路至友誼路列車運(yùn)行曲線Fig.4 Train operation curve of Tieli road to Youyi road

圖5　虹橋路-宜山路列車運(yùn)行曲線Fig.5 Train operation curve of Hongqiao road to Yishan road

列車在該區(qū)間運(yùn)行時，經(jīng)過12 s的出站牽引，隨后進(jìn)入惰行工況，此時列車速度仍繼續(xù)增長，列車在該區(qū)間運(yùn)行的第89 s進(jìn)行第一次制動，制動維持24 s，又在第123 s發(fā)生了8 s的區(qū)間制動，制動時牽引網(wǎng)網(wǎng)壓被抬高至1 785 V。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，列車在該區(qū)間運(yùn)行的總牽引能耗為4.67 kWh，總制動電阻能耗為15.45 kWh，制動能耗大于牽引能耗。該區(qū)間線路坡度信息如圖9所示。虹橋路至宜山路方向，為連續(xù)長大下坡，列車惰行，勢能轉(zhuǎn)換為動能，速度上升。

圖6　宜山路至虹橋路的線路坡度示意圖Fig.6 Line slope schematic diagram of Yishan road to Hongqiao road

內(nèi)圈順時針運(yùn)行時列車由宜山路開往至虹橋路的運(yùn)行曲線如圖10所示。

圖7　宜山路-虹橋路列車運(yùn)行曲線Fig.7 Train operation curve of Yishan road to Hongqiao road

列車在該區(qū)間段運(yùn)行時進(jìn)行了5次牽引，在該區(qū)間運(yùn)行的第162 s發(fā)生了持續(xù)時間為10 s的進(jìn)站制動，制動時牽引網(wǎng)網(wǎng)壓被抬高至1 781 V。統(tǒng)計結(jié)果表明，列車在該區(qū)間運(yùn)行的總牽引能耗為34.35 kWh，總制動電阻能耗為0.51 kWh。

2.3多次試驗比較結(jié)果

對上海地鐵3號線兩次測試結(jié)果與4號線四次測試測試結(jié)果進(jìn)行比較，對比結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，3號線制動/牽引能耗比較高，在52.17%～55.71%之間。4號線制動/牽引能耗比在34.93%～41.58%范圍內(nèi)。在線路條件幾乎相當(dāng)?shù)臈l件下，列車平均速度越高，其牽引能耗也越高。如4號線逆時針方向運(yùn)行時，平均速度增加7.67%，牽引能耗增加9.84%，順時針方向運(yùn)行時，平均速度增加5.59%，牽引能耗增加1.87%。

表2多次能耗測試的速度、能耗對比統(tǒng)計表

Table 2 Multiple comparison table of speedand energy consumption

測試內(nèi)容全程平均速度/(km·h-1)牽引能耗/kWh制動電阻能耗/kWh制動/牽引能耗比/%3號線(江楊北-上海南)43.79821.90428.8252.173號線(江楊北-上海南)46.08895.45496.8855.714號線(內(nèi)圈逆時針)39.61557.60231.8741.584號線(外圈逆時針)42.65612.44213.9534.934號線(外圈順時針)35.81505.52183.7936.364號線(內(nèi)圈順時針)37.81514.99191.1237.11

3　列車運(yùn)行仿真與實測比較

本文采用課題組開發(fā)的城市軌道直流牽引供電仿真軟件DCTPS對上海地鐵3號線、4號線的列車運(yùn)行進(jìn)行仿真[16-18]。DCTPS已經(jīng)在國內(nèi)7家軌道交通設(shè)計院投入使用，用于軌道交通的牽引供電系統(tǒng)設(shè)計。

列車處于牽引狀態(tài)時，在啟動過程中，加速度由0開始增加，受加速度受沖擊限制的制約，并預(yù)測下一仿真時刻的速度。計算表達(dá)式如式(3)和式(4)所示。

A=A0+ΔA×Δt

(3)

v′=v+A×Δt

(4)

式中：A為每個仿真時間單元對應(yīng)的加速度；A0為上一時刻的加速度值；ΔA為加速度沖擊限制；Δt為仿真時間單元大小；v′為下一仿真時刻速度；v為當(dāng)前速度。

根據(jù)啟動過程加速度A，計算該加速度對應(yīng)的列車單位合力c和總合力C和列車出力FT，如式(5)，式(6)和式(7)所示。并根據(jù)列車牽引力特性曲線，判斷當(dāng)前速度下列車最大出力是否滿足要求。如果不滿足，則按列車最大出力，重新計算加速度大小。

c=1 000(1+γ)A/g

(5)

C=cMg/1 000

(6)

FT=C+(w0+wj)Mg/1 000

式中：γ為轉(zhuǎn)動慣量；g為重力加速度；M為列車重量，t；為基本阻力;wj為附加坡道阻力。

當(dāng)列車處于惰行工況與制動工況時，其計算過程與牽引工基本相同，所不同的是單位合力的計算以及列車最大制動加速度下需要提供的制動力。

仿真過程中，牽引策略盡量模擬現(xiàn)場列車的實際運(yùn)行情況，并將仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。駕駛策略采用目標(biāo)速度模式，仿真過程中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

線路數(shù)據(jù)包括線路坡度、曲線和限速等。列車運(yùn)行仿真器的計算過程如圖8所示[18]。

表3　DCTPS仿真軟件參數(shù)設(shè)置

圖8　列車運(yùn)行仿真器的計算流程圖Fig.8 Calculation flowchart oftrain operation simulator

以上海地鐵4號線內(nèi)圈順時針方向的大連路至楊樹浦站和大木橋路至東安路站兩個區(qū)間段為例。大連路至楊樹浦站、大木橋路至東安路站的仿真與實測的速度曲線如圖9所示。

大連路至楊樹浦站和大木橋路至東安路站的實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對比如表4所示。仿真過程中選用的牽引策略與真實司機(jī)駕駛過程始終有差異，牽引能耗的誤差在7%左右，制動能耗計算誤差在15%左右，制動/牽引能耗比誤差在10%左右。

圖9　大木橋路至東安路站的仿真與實測速度對比圖Fig.9 Simulation and measured speed comparison chart of Dabenqiao road to Dongan road

Table 4 Simulation and measured date comparison table of Dabenqiao road to Dongan road

大木橋路—東安路內(nèi)容實測數(shù)據(jù)仿真結(jié)果誤差/%平均速度/km·h-1)37.2843.3016.15牽引能耗/kWh16.6717.756.48制動能耗/kWh5.206.1217.69制動/牽引能耗比/%31.1934.4810.54%大連路—楊樹浦站內(nèi)容實測數(shù)據(jù)仿真結(jié)果誤差/%平均速度/(km·h-1)34.3639.1914.06牽引能耗/kWh18.4319.907.98制動能耗/kWh8.058.242.36制動/牽引能耗比/%43.6841.415.20

4　結(jié)論

1)通過對上海地鐵3號線和4號線的能耗進(jìn)行測試分析，地鐵車輛在制動過程中消耗在制動電阻上的能量占牽引能量的34.93%～55.71%。牽引和制動能耗與線路條件、司機(jī)駕駛策略等密切相關(guān)。

2)將列車實際運(yùn)行過程通過城市軌道直流牽引供電仿真軟件DCTPS進(jìn)行模擬再現(xiàn)，牽引能耗最大誤差7.98%，制動能耗最大誤差17.69%，制動/牽引能耗比最大誤差10.54%。誤差的產(chǎn)生與線路條件、實際運(yùn)行阻力及列車牽引策略的選取有關(guān)，無法完全模擬司機(jī)的駕駛狀態(tài)。

3)與純電阻制動方式相比，列車采用再生制動所產(chǎn)生的能量優(yōu)先給臨近列車吸收，剩余再生制動能量需要通過地面制動電阻、逆變回饋裝置或者儲能裝置加以利用，經(jīng)濟(jì)性有了很大提升。

4)下階段將在以下方面開展研究工作：實測逆變回饋裝置的節(jié)能效果；結(jié)合列車能耗測試分析結(jié)果、列車運(yùn)行圖，對供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，優(yōu)化再生制動能量利用裝置的系統(tǒng)設(shè)計。

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The analysis on the measured traction energy consumption and braking energy consumption of urban rail transit

XU Lingli，LIU Wei，LIAO Jun，CUI Mengyu，LIU Cong，WANG Dong

(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031 ,China)

This paper analyses the relationship between traction current、traction network voltage、braking resistance current、braking resistance voltage and running speed under the traction、idle running and braking condition about the running energy consumption test of the shanghai metro line 3、4,and evaluates the ratio of braking and traction energy consumption. Meanwhile, take shanghai metro line 4 selected intervals for example to model and simulate, reappearing the traction and braking energy consumption process. The analysis results show that the ratio of braking and traction energy consumption in the range of 34.93%～55.71%.Thus, it’s a great significance to the sustainable development of our country which recycles the braking resistance consumption by the way of feedback or storage.

urban rail vehicle;traction n energy consumption; brakingenergy consumption

2015-12-21

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃資助項目(2014J009-B)

劉煒(1982-)，男，湖南益陽人，副教授，博士，從事城市軌道交通牽引供電研究；E-mail：liuwei_8208@swjtu.cn

U268

A

1672-7029(2016)09-1818-07