南寧地鐵1號線列車能耗統計分析

張煥，賀德強，向偉彬，沈國強

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南寧地鐵1號線列車能耗統計分析

張煥1，賀德強1，向偉彬2，沈國強2

(1. 廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004； 2. 南寧軌道交通集團有限責任公司運營分公司，廣西 南寧 530029)

針對南寧地鐵1號線列車在AW2工況下，上、下行各區間的運行牽引能耗和再生制動能量，結合運行線路區間長度、區間高度變化，分析影響列車能耗的主要因素，并為列車蓄能裝置的容量設計提供參考。研究結果表明：在復雜線路環境下，列車在AW2工況單次再生制動產生的能量約為5~14 kW·h，受區間線路變化的影響較大。當考慮再生制動能量100%回收時，AW2工況下列車上、下行平均牽引能耗與區間長度的相關系數接近0.9，每km能耗約為6.6 kW·h。

復雜線路；地鐵列車；牽引能耗；再生制動

城市軌道交通車輛運行過程中需要消耗大量的電能，其節能問題一直都是熱門的研究方向。相關研究表明，城市軌道交通車輛消耗的電能中，一半以上用于列車的牽引。如何降低列車牽引過程中的能耗，將再生制動產生的能量回收再利用已成為城市軌道交通節能方面的重要突破點。唐海川等[1?2]研究了地鐵列車發車間隔對列車能耗的影響，并通過仿真分析了平緩道路上后車吸收前車制動能量降低總能耗的效果。其他學者進一步研究了后車吸收前車再生制動能量的條件[3?5]。RAO等[6]分析了共線運行情況下的相鄰列車之間的再生能量利用。王子甲等[7]對北京地鐵列車的斬波調壓型旋轉電機能耗測量發現，列車的t?km能耗為0.051 kW·h。有學者研究列車在不同控制策略下的電能利用效率時發現，列車能耗不僅取決于列車的最高運行速度，同時還受區間運行時間、區間長度的影響[8?9]?？琢钛蟮萚10]對比了直線電機與旋轉電機的牽引能耗及再生率，發現普通輪軌系統比直線電機系統牽引能耗低25%以上。陳垚等[11]從列車用能效率的角度，剖析了列車質量、單位基本阻力、牽引電機效率等因素對列車能耗的影響。王合良等[12]對南寧地鐵某區間研究發現，當考慮再生制動產生的電能時，使用改進QPSO算法對列車操縱進行優化，可以降低9.21%的列車運行能耗。現有的研究大多通過軟件仿真或者理論計算得到城市軌道交通車輛的能耗，作為列車實際能耗的估計值[13]，用于設計列車的牽引曲線及列車能耗統計，較少通過實際測量的方法對列車在復雜線路下的實際運行能耗進行統計和分析。在仿真和理論計算中，會忽略掉部分影響列車能耗的因素。當列車運行在復雜的線路環境下時，列車的理論能耗值會與實測值產生較大的偏差。根據列車在不同運行區間產生的再生制動能量數量的不同，合理布置儲能裝置及其容量大小，可以節約成本，提高儲能裝置的利用率。南寧地鐵1號線已投入運營，但尚未設計和安裝列車制動能量回收裝置。本文對該線路列車能耗數據進行統計和分析，探究影響列車能耗的線路因素，并為列車再生制動能量回收利用提供參考。

1 列車實際運行能耗統計

本文以南寧地鐵1號線某列車的能耗為研究樣本。當列車滿載時，其能耗數值的變化較為顯著，故選取晚高峰時段對列車的能耗數據進行測量。該時段列車的基本參數如表1所示。

表1 列車主要參數

讀取列車控制系統中記錄的牽引能耗值、再生制動能量值進行比較，分析列車能耗、再生制動能量的數值及其變化范圍。基于車載設備的測量精度，所測得的能耗數值誤差小于1 kW·h。同時，通過對比列車運行的線路參數，如：區間長度、區間高度變化、平均運行速度等，研究其對列車能耗的影響。

首先對列車運行在上行線(石埠~火車東站)的列車能耗數據進行統計分析。所得數據如表2所示。

表2 列車運行在上行線路的能耗統計

動物園~魯班路18844.441 656?0.2561.4310.876.04 魯班路~廣西大學17847.061 0311.4253.5416.498.73 廣西大學~白蒼嶺191052.631 6150.3360.3211.765.57 白蒼嶺~火車站151066.671 373?6.5155.2810.923.64 火車站~朝陽廣場16743.75958?1.2352.0616.709.39 朝陽廣場~新民路16743.759963.3250.8516.069.04 新民路~民族廣場11763.648910.3851.3512.354.49 民族廣場~麻村17847.061 166?0.0655.9214.587.72 麻村~南湖201050.001 6581.6561.3812.066.03 南湖~金湖廣場11545.458990.2950.8912.246.67 金湖廣場~會展中心17635.291 1766.3753.0314.469.35 會展中心~萬象城14642.868184.9349.2817.119.78 萬象城~東盟商務區16637.507799.9448.1520.5412.84 東盟商務區~鳳嶺21628.571 17715.7155.7517.8412.74 鳳嶺~瑯東客運站151280.00901?9.5351.3616.653.33 瑯東客運站~百花嶺1010100.001 439?18.1955.466.950.00 百花嶺~佛子嶺20735.001 5677.6260.2412.768.30 佛子嶺~火車東站20840.001 651?2.1860.4812.117.27

2 列車能耗分析

列車的牽引能耗與列車設備效率、載客量、運行圖等多個因素相關?？紤]南寧地鐵1號線的運行線路環境復雜，不同運行區間在區間長度、區間高度變化上有較大的差距，本文重點研究區間長度及高度變化對列車牽引能耗的影響。

對于一般簡單的運行區間，可將其分為牽引、勻速、惰行和制動4種狀態。

牽引和勻速狀態下，列車從接觸網取流，所消耗的電能構成了列車在該區間的牽引能耗。在牽引和勻速階段列車消耗的牽引能耗可以表示為

式中：0為不考慮列車制動能量回收的列車牽引能耗；Q1為牽引和惰行階段列車在平直線路上的運行阻力，包括風阻及車輛內部零件的摩擦力等所消耗的能量；E為列車勻速時的動能，與車速和總質量相關；E1為開出后至勻速階段結束時的列車高度變化值。

惰行和制動狀態下，列車的牽引系統不再從接觸網取流。列車在再生制動過程中，產生的電能供給其他設備使用或反饋電網。

再生制動階段列車回收的電能可以表示為：

式中：W為列車從勻速狀態變為靜止時，列車動能所做的功；W2為列車高度變化時重力勢能轉變所做的功；Q2為惰行和制動階段車輛運行阻力消耗的能量。

列車的空氣制動主要用在列車處于低速狀態，時間較短。為簡化模型，將其消耗的能量忽略，并入再生制動能量中一同計算。

當考慮再生制動的電能回收時，有

式中：100為100%列車制動能量回收時列車的牽引能耗；Q為列車在無高度變化運行區間克服阻力所消耗的能量；Q為列車的動能與電能相互轉化過程中的能量損失?？紤]到大部分運行區間同時存在上坡和下坡的過程，故定義Q為區間內列車重力勢能與電能相互轉化之間的能量損失。E為由于相鄰2站臺之間的高度變化引起的列車重力勢能的變化量。

從表2中的數據可以看出，列車再生制動過程中，會產生數量可觀的電能。在AW2工況下，單個運行區間內列車的再生制動能量回收通常超過5 kW·h，最高可達到14 kW·h，占當個運行區間的牽引能耗的20%以上，大多集中在40%~60%的范圍內，與上海地鐵4號線測得的數據接近[14]。

2.1 運行區間長度對列車能耗的影響

根據表2中的數值，繪制出牽引能耗與區間長度之間的關系圖如圖1所示。

圖1 實測牽引能耗與區間長度的關系

牽引能耗與區間長度得到的擬合曲線為：

式中：0L為不考慮再生制動下列車在該區間的牽引能耗；為該運行區間的長度。

0L和的相關系數為

從圖1可以看到，牽引能耗與區間長度存在一定的關聯關系，但數據較為離散，相關性并不高。當考慮100%再生制動能量回收后，得到的關系圖如圖2所示。從圖2可以看到，牽引能耗與區間長度得到的擬合曲線為：

式中：100L為100%再生制動能量回收時列車在該區間的牽引能耗。

圖2 剔除能量回收后牽引能耗與區間長度的關系

其相關系數為：

與不考慮再生制動能量下的牽引能耗與區間長度的關系相比，二者的相關性變低，能耗與區間長度的比例系數變低。

2.2 區間高度變化對列車能耗的影響

受站臺高度變化的影響，部分區間的再生制動回收能量超過了列車在該運行區間的牽引能耗。具體表現為，在瑯東客運站~百花嶺運行區間，百花嶺站的軌道高度比瑯東客運站的站臺高度低18.19 m。列車在該區間運行時，牽引消耗的電能僅為10 kW·h，再生制動回收的電能達到了10 kW·h。

當列車運行在高度上升的區間時，消耗的牽引能耗大幅上升，但回收的再生制動能量略小于其他區間。在東盟商務區~鳳嶺運行區間，列車的高度上升了15.71 m，消耗的牽引能量為21 kW·h，但再生制動僅回收電能6 kW·h。

根據表2中的數據繪制出區間高度與列車能耗之間的關系如圖3所示。

不考慮再生制動能量回收時牽引能耗與區間高度變化的擬合曲線為：

其中：0H為不考慮再生制動下列車在該區間的牽引能耗；為該運行區間的高度變化。

圖3 實測牽引能耗與區間高度變化的關系

Fig. 3 Relationship between the measured traction energy consumption and the variation of the interval height

0H和的相關系數為：

在考慮列車再生制動能量100%回收后，得到的列車能耗與區間高度的關系如圖4所示。

圖4 剔除能量回收后牽引能耗與區間高度變化的關系

Fig. 4 Relationship between traction energy consumption and interval height change after eliminating energy recovery

考慮100%再生制動能量回收時，牽引能耗與區間高度變化的擬合曲線為：

其相關系數為：

對于列車牽引能耗與區間高度的關系，在考慮再生制動能量回收后，其相關性得到提高。其原因主要為列車運行在單個區間時，由于軌道受到地質條件或其他因素的影響，可能會在同一個區間內同時存在上坡和下坡2種情況。

3 上、下行能耗綜合分析

南寧地鐵1號線的線路環境較為復雜，約80%的運行區間的站間高度差在1 m以上。為研究列車能耗與區間長度的數值關系及其相關性的大小，將列車的勢能變化量及再生制動前列車的動能從列車能耗中剔除。

具體做法為：將列車再生制動所回收的能量從牽引能耗中減去，并對上下行的能耗做平均處理，以減輕列車重力勢能的變化對列車牽引能耗的 影響。

此時，可得到的列車能耗關系：

Q為列車運行在無高度變化區間克服運行阻力消耗的能量。

南寧地鐵1號線的上下行線路基本相同，只在彎道處和個別復雜站點的運行路徑存在著一定的差異。為了研究區間長度對列車能耗的影響，減輕區間站臺高度變化的干擾，將同一運行區間列車上、下行的能耗取平均值進行分析，得到表3所示結果。列車運行區間長度取上、下行線路的平均值。列車下行時，仍運行在晚高峰時段，處于AW2工況下。表3中，朝陽廣場站為雙層島式車站，上下行線路的列車分別?？吭诓煌臉菍?，存在較大的高度差，導致火車站~朝陽廣場、朝陽廣場~新民路這2個運行區間的能耗數值存在較大偏差。其具體表現為，在下行線路中，新民路~朝陽廣場區間內下降11.32 m，朝陽廣場~火車站區間上升9.23 m，這2個高度的變化明顯高于大多數運行區間的高度變化值，同時使得區間內的線路平均坡度也偏大。在將其上下行能耗平均后，火車站~朝陽廣場區間的每km能耗值(包括不考慮再生制動的能耗和100%再生制動回收時的能耗)仍明顯高于正常值。這是由于車輛上下行線路在朝陽廣場站時停靠不同樓層的站臺，該區間的下行線路的高度差明顯大于上行線路的高度差。同時，出于同樣的原因，朝陽廣場~新民路區間考慮再生制動能量后的每km能耗值明顯偏小。為使分析結果更加合理，在后續分析中，將這2區間的數據剔除。

表3 列車上下行能耗綜合分析

在考慮100%再生制動能量回收后，得到的上下行平均牽引能耗與區間長度的關系如圖5所示。

100%再生制動能量回收時，平均牽引能耗與區間長度的擬合曲線為：

其相關系數為：

從圖5的數據點分布可以看出，上、下行能耗數據平均后，100%再生制動能量回收時的每km能耗在每個區間的波動較小，都集中在5.05~7.87 kW·h的范圍內，平均值為每km 6.6 kW·h，可將此視為列車在AW2工況下行駛在平面軌道上的能耗值，用于估算列車的機械效率和牽引阻力等。由于此能耗值是從列車的車載設備中計量得到，并未考慮接觸網損耗等，與楊斌等人從牽引變電所統計出的長沙地鐵數據有較大的差異[15]。

圖5 剔除能量回收后牽引能耗與區間長度的關系

Fig. 5 Relationship between traction energy consumption and interval length after eliminating energy recovery

4 結論

1) 在100%再生制動能量回收時，剔除特殊站點后，同一區間上、下行能耗的平均值與區間長度密切相關，受區間高度變化影響較小。列車能耗與區間長度的相關系數接近0.9。AW2工況下每km能耗大約為6.6 kW·h。

2) 列車再生制動會產生數量可觀的電能，占到該運行區間牽引能耗的20%以上。充分利用列車再生制動的電能可達到節能減排的效果。南寧地鐵列車在AW2工況下單次再生制動產生的電能超過5 kW·h，最高達到了14 kW·h，平均值為8 kW·h。依據列車運行方向、運行區間的不同存在著較大的變化。在設置儲能裝置的容量、安裝地點時，應當充分考慮列車在臨近區間內的制動能量最大值，合理布置。在不考慮兩列車同處一個供電區間時，安裝在再生制動能量最大的供電區間，儲能裝置的容量應大于14 kW·h，再生制動能量最小區間的容量應大于5 kW·h。如使用車載儲能元器件，則設計容量應達到8 kW·h以上。

3) 在復雜線路環境下，列車的牽引能耗及再生制動回收的能量受到區間長度和區間高度變化的影響。列車的能耗與復雜線路中的彎道長度、彎道的曲率半徑等其他因素的關系仍有待研究。

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Statistical analysis of subway train energy consumption in Nanning metro line 1

ZHANG Huan1, HE Deqiang1, XIANG Weibin2, SHEN Guoqiang2

(1. College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. Nanning Rail Transit Group Co., Ltd, Operation Branch, Nanning 530029, China)

Based on the statistics of Nanning metro line a train at AW2 under the condition of running up and down in the interval of the traction energy consumption, regenerative braking energy, combining the interval length, interval height change of the operation line, this paper analyzed the main factors influencing the train energy consumption, and provided a reference for the design of the storage device. Finally, it was found that under the complex line environment, the energy generated by the single electric braking of the train at AW2 was about 5~14 kW·h, which is greatly affected by the change of the section line. Considering the 100% recovery of regenerative braking energy, the correlation coefficient between the average traction energy consumption and the interval length of the train under the AW2 condition was close to 0.9, and the energy consumption per kilometer was about 6.6 kW·h.

complex line; metro train traction; energy consumption; regenerative braking

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.030

U268

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0223 ? 08

2017?12?23

國家自然科學基金資助項目(51765006)

賀德強(1973?)，男，湖南桃江人，教授，博士，從事機車車輛故障診斷與智能維護、列車網絡與控制；E?mail：hdqianglqy@ 126.com

(編輯 蔣學東)