城市軌道交通低碳節能技術下牽引供電系統仿真分析*

王 忻 吉祥雨 韓博衍 倪子詩 張 鋼

(1. 鐵科院(北京)工程咨詢有限公司, 100081, 北京; 2. 城軌創新網絡中心有限公司, 100071, 北京;3. 寧波市軌道交通集團有限公司, 315100, 寧波; 4. 北京交通大學電氣工程學院, 100044, 北京∥第一作者, 副研究員)

隨著城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)運營線路里程和能耗的不斷增長,越來越多的節能新技術被應用到牽引供電系統中。文獻[1]統計了2021年西安地鐵線網運營車輛和動力照明電能消耗與碳排放量占比,計算了列車輕量化的減重效果和節能潛力。文獻[2]對比了青島地鐵11號線應用的永磁同步牽引列車和異步牽引列車在載客運營期間的能耗與再生制動能量數據。文獻[3]以寧波地鐵線路為例,實施了雙向變流器應用于牽引供電系統的功能性驗證,完成了牽引網穩壓與制動能量回饋功率測試,以及電能質量測試與節能效果分析。然而,當多項節能技術同時應用到一條城市軌道交通線路上后,其節能效果目前尚缺乏評估測算,無法為最優節能方案的制定及決策提供支撐。為此,本文從城軌系統建模及仿真推演的角度出發,對牽引供電系統節能降耗低碳技術的綜合能效展開研究。

1 城軌牽引能耗構成

電能消耗是城軌系統運營過程中能源消耗的主要形式,主要包括車站動力照明設備能耗與列車運行牽引能耗[4]。列車運行牽引能耗即列車運行需要消耗的牽引電能,主要包括車輛牽引系統能耗和輔助系統能耗,其中車輛牽引系統能耗占城軌運營能耗的40%～50%[5]。根據能量消耗位置及作用,可將車輛牽引系統能耗分為以下幾類:

1) 牽引變電損耗:變電站內部變壓器、整流裝置轉換損耗,以及交流側輸電線路產生的損耗。

2) 接觸網損耗:電能流過直流接觸網產生的損耗,即牽引供電系統的直流傳輸損耗。

3) 列車能耗:列車正常運行必須消耗的能量,主要由列車內部輔助供電系統能耗、牽引逆變器損耗、牽引電機損耗、齒輪箱損耗及運行阻力損耗組成。

4) 再生制動轉換損耗:列車制動時機械能轉換為電能過程中的損耗,包括齒輪箱損耗、牽引電機損耗及牽引逆變器損耗。

5) 其余損耗:列車制動能量回饋時在牽引供電系統中流動過程中產生的損耗。

2 牽引供電系統低碳節能技術

2.1 雙向變流技術

雙向變流器的引入為城軌提供了一種新型的柔性牽引供電系統結構。其不僅具有24脈波二極管整流機組+傳統中壓能饋裝置的節能效果,同時因體積小、容量大及穩壓效果好,可有效降低因傳統中壓能饋裝置容量不足且需鄰站協同吸收引起的跨區供電線路損耗;采用適當的控制策略后,整條線路接觸網電壓在較小的范圍內波動,既可避免長距離越區供電帶來的巨大網損,又能最大程度保證再生制動能量吸收率,因此節能效果更為顯著。

2.2 永磁同步牽引傳動技術

在城軌牽引傳動系統中,永磁同步牽引電機憑借高效率、高功率密度、低噪聲等優點倍受國內外關注[6]。圖1為永磁同步牽引電機與異步牽引電機在同轉矩下全轉速范圍內的效率對比。由圖1可知:永磁同步牽引電機在高效率區(效率>95%的區域)的轉速范圍更大;其工作于額定點時的效率可提高約5%,工作于低轉速區的效率可提高甚至超過10%。究其原因主要為地鐵線路站間距短,車輛起停相對頻繁,永磁同步牽引電機在低效率區(效率<5%的區域)的工作時間更長;而永磁同步牽引電機相對于異步牽引電機工作于低效率區的更窄,且電機效率、再生能量也同樣高于異步牽引電機,節能優勢明顯。

圖1 永磁同步牽引電機和異步牽引電機效率對比

2.3 列車輕量化

在滿足車輛各項要求的前提下降低列車質量,可有效降低全壽命周期成本和運營能耗,如車體采用鋁合金或碳纖維材料等。文獻[7]給出了列車主要輕型材料的減重效果,如表1所示。

表1 列車主要輕型材料的減重效果

2.4 列車駕駛策略及運行圖優化

優化后的列車駕駛策略可以降低列車運行過程中的牽引能耗[8]。在時刻表已知的前提下,列車從某站到下一站存在多條速度曲線滿足同一時間約束,具有一定的優化空間。此外,充分利用再生制動能可以降低運營能耗,節約運營成本[6]。合理調整列車發車時刻及停站時間,將列車再生制動能量供同一供電區間列車牽引使用,可大幅提高再生制動能利用率,從而節約牽引能耗。駕駛策略優化前后列車運行圖對比見圖2。

a) 優化前

3 牽引供電系統仿真平臺簡介

本文擬針對城軌系統牽引用能低碳節能技術評估進行研究,建立1套包含牽引供電系統、列車、行車組織的全系統潮流及能耗計算模型。以城軌車輛動力學模型及其各部件的主要參數作為計算主體,輸入線路、列車基本條件及運行工況等基本信息,輸出系統能耗計算結果和各部分能量效率,完成對不同低碳節能技術下系統綜合節能效果的評估。城軌牽引供電系統仿真平臺架構如圖3所示。其中,列車牽引計算模塊可根據實際線路條件、列車參數及駕駛策略等計算每時刻列車的位置、速度及消耗功率,牽引供電系統潮流計算模塊可根據網絡模型、電氣參數及牽引計算結果,通過仿真推演得到系統中各點的電壓、電流等基礎數據,對各部件輸入及輸出功率進行積分得到各部件的能耗及效率,從而計算不同低碳節能技術下的城軌牽引系統能耗、效率及節能率,完成對牽引供電系統綜合節能效果的評估。

圖3 城軌牽引供電系統仿真平臺架構圖

為了驗證該仿真平臺的合理性和可行性,將國內某地鐵線路相關信息輸入到仿真軟件中,對比分析列車單程運行工況下牽引能耗的仿真結果與實測結果,如圖4所示。由圖4可知:牽引能耗仿真結果與實測結果變化趨勢一致;在列車單程運行工況下,牽引能耗仿真結果為322.77 kWh,牽引能耗實測結果為315.96 kWh,仿真結果與實際結果偏差為2.15%。上述結果證明了本試驗所用仿真計算模型的準確性,較好地反映了城軌牽引能耗水平。

圖4 城軌牽引能耗-時間關系曲線

4 牽引供電系統節能仿真驗證

4.1 模型參數選取

以國內某地鐵線路為研究背景,共設車站25座,沿線設置13個牽引變電所,每個牽引變電所中均設置變流裝置(變流裝置分為兩種,一種為二級管整流裝置+能饋機組,另一種為雙向變流器),牽引供電系統交流側采用35 kV集中供電制式,直流側采用1 500 V架空接觸網。牽引供電系統仿真模型參數取值如表2所示。

表2 牽引供電系統仿真模型參數取值

4.2 單一技術節能效果仿真分析

4.2.1 永磁同步牽引技術節能效果

在城軌線路與列車運行條件相同,且僅改變列車牽引電機類型的條件下,全線異步牽引電機型列車(以下簡稱“異步列車”)與永磁同步牽引電機型列車(以下簡稱“永磁列車”)單車(1列6節編組列車)牽引功率-時間關系曲線如圖5所示。

圖5 異步列車與永磁列車單車牽引功率-時間關系曲線

列車牽引能耗和制動能量如表3所示。由表3可知:永磁列車單車在牽引和制動過程中的節能率分別為4.14%和 5.47%;列車行駛全過程中,永磁列車單車節約能耗142.88 kWh,節能率為9.92%。由上可見,永磁同步牽引電機效率更高,其消耗電能不僅低于異步牽引電機,且其再生能量也高于異步牽引電機。

表3 列車牽引能耗和制動能量

4.2.2 雙向變流技術節能效果

當列車全部采用異步牽引電機,整流裝置采用傳統中壓能饋裝置+二極管整流機組的條件下,牽引供電系統中牽引網損耗為49.25 kWh;整流裝置采用雙向變流器的條件下,牽引網損耗為41.37 kWh。由此可見,后者與前者相比,減小了由于網壓降低與跨區供電帶來的牽引網損耗,減小值為 7.88 kWh,節能率達16.00%。

4.2.3 列車輕量化節能效果

當列車全部采用異步牽引電機,整流裝置采用傳統中壓能饋裝置+二極管整流機組的條件下,車型設置為一致,采用的鋁合金車體較原不銹鋼車體減重1 300 kg/列,得出多列車(多列6節編組列車)減重前后列車總能耗與牽引網損耗。列車質量減輕后,相同行駛條件下消耗的電能為1 401.35 kWh,較優化前的1 441.05 kWh減少了39.70 kWh,節能率為2.75%。

4.2.4 列車駕駛策略及運行圖優化節能效果

本文采用的定時節能運行優化模型如下:

(1)

(2)

式中:

J——列車牽引能耗;

uf——列車在位置x處的牽引力使用系數;

f(v)——列車在速度v下的最大牽引力;

ub——列車在位置x處的制動力使用系數;

b(v)——列車在速度v下的最大制動力;

x——列車位置;

x0——列車的起始位置;

xt——t時刻的列車位置;

w0——基本阻力;

wj——附加阻力;

t——時間;

m——列車換算質量;

g——重力加速度。

基于龐特亞金極小值原理,構建Hamilton函數H:

μ[v-vlim(x)]

(3)

式中:

vlim(x)——列車在位置x的限速;

μ——不為0的待定量,滿足式(4);

λ1、λ2——伴隨狀態,滿足伴隨方程(見式(5))。

(4)

(5)

當Hamilton函數取最小值時,求解uf、ub的不同取值下,某區間內駕駛策略優化前后列車速度-時間關系曲線,如圖6所示。列車駕駛策略優化后,行駛相同線路時多列車總消耗電能比優化前的1 441.05 kWh減少42.37 kWh,節能率為2.94%。

圖6 某區間內駕駛策略優化前后列車速度-時間關系曲線

通過增加同區段列車制動和牽引的重疊時間,對列車停站時間進行5 s范圍內的調整,使得制動回饋能量被同區段列車牽引使用,生成的列車節能運行圖見圖7。由圖7可見:列車運行圖優化后,列車消耗電能為1 392.49 kWh,比優化前的1 441.05 kWh減少了48.56 kWh,節能率為3.37%。

圖7 列車節能運行圖

4.3 多技術綜合節能仿真分析

表4為多列車況下,將上述4項節能技術單獨應用與綜合應用的牽引供電系統總能耗與節約能耗對比結果。需要說明的是,在上述單一節能技術效果仿真中,僅側重分析了各項技術所直接影響的部分系統能耗(例如,列車輕量化節能技術中只計算了列車能耗及節能率,不包括接觸網損耗等),而表8中各項節能技術應用前后對應的能耗計算均涵蓋了牽引供電系統中的各個組成部分(列車、牽引網、變流裝置、變壓器等),與本文第4.2節所得結果相比,各指標數值略有不同。

表4 各項節能技術下多列車牽引供電系統的節能率

多項低碳節能技術運用后,牽引供電系統節約能耗為240.93 kWh,節能率為15.79%。按照180列次/d概算,1條線路每年節約能耗3 673.9 MWh。不同技術的節能效果可疊加,但其節能率小于各項技術單獨應用時的節能率之和。其中,由于列車再生制動能量也可以通過傳統中壓能饋裝置被利用,雙向變流器的作用主要體現在節約牽引網損耗方面,對列車再生制動能量利用率的影響相較于傳統中壓能饋裝置差別不大,因此單獨使用該技術的節約能耗占牽引供電系統總能耗比例較小。城軌企業在進行多項低碳節能技術應用決策時,應充分結合自身用能實際,從系統整體效能論證單項技術的節能效果,以實現效益最大化。對于雙向變流器這類以節約牽引網損耗為主的間接節能技術,按照傳統能耗計算方法得到的節能率較低,建議從改善牽引供電系統整體效能的角度出發提出新的評價指標,便于城軌企業進行綜合評價。

5 結語

本文從供電設備、牽引電機類型、列車質量及行車組織等多個角度出發,介紹了雙向變流裝置、永磁同步牽引傳動技術、列車輕量化及列車運行圖節能優化策略等4種低碳節能技術的原理及特點,研究了多種技術單獨應用與綜合應用的節能效果。目前,這些單項技術的節能效果已經得到了驗證,多種低碳節能技術綜合應用的條件下可將牽引供電系統節能率提升至15.79%。從改善牽引供電系統整體效能的角度出發,對多種低碳節能技術的應用效果進行評估,有利于實現城市軌道交通效益最大化,從而促進碳達峰、碳中和目標的實現。