城市軌道交通列車牽引節能綜合技術研究與實踐

2018-04-27 07:17:58彭磊

城市軌道交通研究 2018年3期

彭磊

（廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥工程師）

2016年廣州地鐵線網全年運營能耗為110 878萬kWh。其中，列車牽引能耗在運營能耗中占的比例最大，占57%，是運營能耗的主要組成部分（見表1）。因此，列車牽引節能是軌道交通運營節能的關鍵。

表1 廣州地鐵線網2016年總運營能耗組成

1 影響列車牽引能耗的關鍵因素

影響列車牽引能耗的因素很多，主要有線路條件、單車駕駛策略、運行計劃及列車滿載率等，故不同線路的牽引能耗存在較大差異。

1.1 單車駕駛策略

某區間的列車牽引曲線如圖1所示。列車從車站起動到進站停車一般需經過牽引、巡航、惰行及制動等4個階段。如采取不同的單車駕駛策略，則列車牽引曲線不同，牽引能耗也有所差異。單車駕駛策略主要包括巡航速度及工況組合。

1.1.1 巡航速度

v巡是指列車在巡航階段勻速運行的最高速度。研究表明，巡航速度越高，列車牽引能耗越大，兩者呈正相關的關系。以6輛編組B型車為例，當v巡=120 km/h時，在長度為3 km某區間的列車牽引能耗如表2所示。

表2 某區間列車牽引能耗與v巡的關系

1.1.2 工況組合

列車惰行時外部無電流輸入，列車處于自由滑行狀態。為控制速度，惰行一般選取在上坡段。由于列車受重力及風阻力作用，其惰行速度逐漸降低。電流-距離曲線可見，惰行工況電流為0，不消耗能量。因此，列車惰行工況越多，其單車牽引能耗就越小。

圖1 典型區間列車牽引曲線

1.2 運行計劃

在列車制動時，由再生制動產生的能量，會先供給列車自身的空調及照明等輔助系統。其余能量大部分會反饋至電網；如路網中有正在加速的列車，則這部分能量會供加速列車使用，否則，這些能量就會經由高阻值電阻（或其他方式）消耗成熱能。可見，圖定行車計劃中處于牽引工況的列車和處于制動工況的列車時間重疊越多，則再生制動能量被吸收得越多，整條線路牽引能耗越低。

1.3 線路條件

（1）線路縱斷面：線路縱斷面設置應考慮列車出站加速、進站減速的特點，配合出站下坡、進站上坡的“高車站、低區間”的V形坡更有利于節能。

（2）線路平面：線路平面曲線會增加列車所受阻力。曲線半徑越小，其產生的附加阻力越大，對牽引節能就越不利。廣州地鐵4、5、6號線牽引能耗數據如表3所示。可見，小曲線半徑所占比例越高，線路車公里能耗越大。

表3 廣州地鐵4、5、6號線牽引能耗數據

（3）站間距：列車在牽引階段及制動階段的電流較大，在巡航階段的電流較小；因此理論上牽引段及制動段在區間運行中所占比例越低，巡航段越長，牽引能耗就越低。站間距越大，巡航段越長，牽引段及制動段在區間運行中所占比例越低，車公里牽引能耗越小。當v巡=80 km/h時，計算得到不同站間距對應的列車牽引能耗如圖2所示。

圖2 列車牽引能耗與站間距的關系

2 牽引節能綜合技術

借助牽引計算仿真系統，可根據定義的列車及線路條件數據庫，結合給定的計算條件對列車運行情況進行模擬計算，從而得出相應的牽引曲線為方案分析提供依據。牽引計算仿真系統結構見圖3。

2.1 駕駛策略節能方案

2.1.1 牽引巡航速度的選擇

由于巡航速度越高，車公里能耗就越大，因此為實現牽引節能，應合理選擇列車巡航速度。在高峰時段，客流量大，運能要求較高，故應優先保證運輸能力，盡量提高巡航速度；平峰時段，客流量一般不大，可適當降低巡航速度，達到牽引節能的目的。

圖3 牽引計算仿真系統結構圖

以廣州地鐵7號線一期項目為例，按照上述原則，采用高峰時段v巡為80 km/h，平峰時段v巡為75 km/h的節能策略按運營初期列車開行150對/d進行仿真計算發現，采用節能策略較全日采用單一巡航速度（80 km/h）可節約電費50～55萬元/a。

2.1.2 基于駕駛策略優化的單車節能牽引曲線方案

根據目前列車單車牽引曲線（見圖4），一般列車需要在區間中部維持75 km/h勻速運行，需持續提供牽引力供電電流應保持在1 000 A左右。這種駕駛策略能耗較大。

惰行工況下的牽引能耗較低。單車典型區間運行中多次利用惰行進行節能（如圖5所示），設置速度中位線為75 km/h，使列車速度在70 km/h至80 km/h之間波動，期間采用惰行工況與牽引工況組合使用。速度中位線與圖5中方案一致，區間運行時間不變，不影響全線運輸能力。從該方案的電流曲線上看，惰行段電流為0。仿真模擬結果顯示，本算例區間牽引總能耗較原方案降低5.04%。

基于上述節能優化曲線，對廣州地鐵7號線一期工程全線有條件的區段進行全線牽引優化對比（見圖6～8），7號線全日牽引能耗可降低13 311 kwh。