發(fā)車時(shí)間間隔對深圳地鐵車輛再生制動節(jié)能的影響

黃尊地，傅思良，常寧，陳遠(yuǎn)生，溫健，蘇進(jìn)磊

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發(fā)車時(shí)間間隔對深圳地鐵車輛再生制動節(jié)能的影響

黃尊地1，傅思良2，常寧1，陳遠(yuǎn)生1，溫健1，蘇進(jìn)磊1

（1. 五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020 2. 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營總部，廣東 深圳 518040）

為了更好地提高城市軌道交通車輛的能源利用率，本文基于深圳地鐵一號線車輛和路線的真實(shí)數(shù)據(jù)，建立了同一供電臂下車輛質(zhì)量及其力學(xué)模型、列車牽引與制動功率模型、列車牽引力及制動力模型，以及列車供電網(wǎng)絡(luò)模型，基于發(fā)車時(shí)間間隔，對車輛再生制動節(jié)能進(jìn)行研究. 經(jīng)MATLAB中SIMULINK仿真運(yùn)算，得到以下結(jié)論：同一供電臂下，兩車追蹤時(shí)間為或時(shí)，能量利用率較高，且對接觸網(wǎng)的沖擊電壓較低，牽引變電所消耗功率較低. 綜合考慮深圳地鐵一號線終點(diǎn)站或區(qū)域站車輛折返時(shí)間為左右，建議發(fā)車時(shí)間間隔為.

城市軌道交通車輛；發(fā)車時(shí)間間隔；再生制動；能量利用率

城市軌道交通站間距短、客流量大，列車需要頻繁啟動和制動，會消耗大量的電能. 目前常用的制動形式分為摩擦制動和動力制動，摩擦制動包括踏面閘瓦制動和盤形制動，動力制動包括再生制動和電阻制動[1-2]. 如果車輛頻繁制動都完全采用摩擦制動，則會消耗大量的城市電能[3-4]. 動力制動能量的吸收方式主要有耗散式、能饋式和儲能式3種，我國城市地鐵動力制動多數(shù)采用耗散式，即用電阻消耗多余能量，如深圳地鐵一號線發(fā)車時(shí)間間隔為240 s或360 s，采用的基本都是電阻制動. 但是，目前我國再生制動的能量有效利用率較低，如廣州地鐵一號線列車發(fā)車時(shí)間間距為360 s，再生制動能量的吸收利用率為僅10%[5]；

如果在同一供電臂內(nèi)同時(shí)有若干列車啟動、運(yùn)行或制動，列車再生制動的大部分能量可以被其他列車吸收. 若沒有其他列車啟動或運(yùn)行，列車再生制動產(chǎn)生的電能則會反饋到電網(wǎng). 能饋式再生制動吸收方式就是用逆變裝置將其他列車沒有利用的能量返回到交流電網(wǎng)中，再提供給用電設(shè)備或其他列車使用. 若反饋電壓超出變電站的電壓，則多余電能可被存儲. 但反饋電壓對交流電網(wǎng)有沖擊影響，包括諧波問題和頻率問題等，儲能電壓也要考慮儲能裝置的效率和造價(jià)問題，因此追蹤列車的運(yùn)行情況對再生制動能量的利用有著重要的意義. 本文通過對深圳地鐵一號線車輛和線路真實(shí)數(shù)據(jù)的研究[6-8]，以期得到最佳的發(fā)車時(shí)間間隔，從而有效提高列車再生制動能量的利用率.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 列車編組及重量

城市軌道交通的列車主要有3種編組模式：兩動兩拖、四動兩拖、六動兩拖[9]. 本文研究的深圳地鐵1號線列車采用四動兩拖編組，主要由A車、B車和C車組成. A車是帶司機(jī)室的拖車，B車是帶電弓的動車，C車是不帶受電弓的動車.

依據(jù)列車的編組形式、列車各車的重量以及各列車的定員人數(shù)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出列車整體的質(zhì)量. 計(jì)算公式為：

1.2 列車運(yùn)行阻力

西門子公司用于深圳地鐵1號線車輛的阻力計(jì)算公式為[7]：

1.3 牽引策略

列車頻繁啟動與制動，且要滿足平穩(wěn)舒適與停站位置準(zhǔn)確的要求，牽引策略至關(guān)重要. 常用的3種牽引策略分別為最快速度策略、最經(jīng)濟(jì)策略和理想策略[10]. 本文研究對象采用最快速度策略，最快速度策略是以最短時(shí)間走完兩站之間的距離，這就要求牽引（制動）時(shí)有最大加（減）速度，即要求具有最大的牽引力和制動力矩. 制動時(shí)，優(yōu)先采用動力制動，制動力不足以提供最大的加速度時(shí)，要增加空氣制動補(bǔ)足制動力.

1.4 力學(xué)模型

深圳地鐵1號線采取最快速度策略后，其運(yùn)行可分為恒加速度運(yùn)行、恒功率運(yùn)行、勻速運(yùn)行和恒減速度運(yùn)行4個階段.

1.5 供電系統(tǒng)模型

供電系統(tǒng)包括牽引變電所、接觸網(wǎng)、回流線、饋電線、鋼軌和電分段等組成部分，其中接觸網(wǎng)、回流線、饋電線和鋼軌又稱為牽引網(wǎng)[1].

1）牽引變電所等效模型

在進(jìn)行直流牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行仿真時(shí)，牽引變電所宜按戴維南或諾頓等效電路建模. 在戴維南等效電路中，牽引變電所用等效內(nèi)電阻與相串聯(lián)來表示，計(jì)算公式為：

2）牽引網(wǎng)等效模型

以正常雙邊供電方式建立數(shù)學(xué)模型，為了方便從供電系統(tǒng)的角度研究列車再生制動能量，因此僅取其供電系統(tǒng)中的一個供電臂作研究. 對牽引網(wǎng)作以下假設(shè)：2輛列車；2個牽引變電所，供電站之間間距取典型值3 km；3個站臺，站臺之間距離1.5 km，以此為基礎(chǔ)建立牽引供電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，如圖1所示.

圖1 牽引網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型

其中，

，.

2 單車模型仿真分析

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，基于MATLAB中SIMULINK模塊對深圳地鐵1號線的進(jìn)行仿真. 圖2是列車牽引制動參數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線圖，綜合起來看列車經(jīng)過恒力矩、恒功率、勻速運(yùn)行和制動等4個階段. 恒加速時(shí)間是，整個加速過程接近，制動過程接近，最后完全停車是靠空氣制動. 在圖2-d中，啟動期間從電網(wǎng)中吸收的最大功率為，再生制動產(chǎn)生的最大功率為. 考慮到長期的負(fù)荷，深圳地鐵1號線設(shè)置的逆變機(jī)組的總供電量為. 列車從啟動到制動期間從電網(wǎng)吸收的總能量為，再生制動產(chǎn)生的能量為，再生制動產(chǎn)生的能量約占電網(wǎng)消耗的能量的76.6%.

圖2 列車牽引制動參數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線圖

由以上結(jié)論可知，再生制動能量的回饋利用潛力很大，但影響再生制動能量的回饋利用的因素有很多，包括列車質(zhì)量、基本阻力、曲線通過、隧道風(fēng)阻力、牽引策略、電機(jī)參數(shù)、牽引網(wǎng)絡(luò)及列車在同一供電臂的追蹤運(yùn)行時(shí)間間隔等. 其中，結(jié)合深圳地鐵的運(yùn)營狀況，改變列車在同一供電臂內(nèi)的追蹤運(yùn)行時(shí)間，是提高再生制動能量利用率最有效的一個方法.

3 列車追蹤節(jié)能分析

本文主要從5種不同追蹤時(shí)間中分析列車再生制動能量利用率最佳的追蹤時(shí)間，圖3至圖7為列車發(fā)車時(shí)間間隔為30 s、60 s、90 s、120 s和150 s的分析圖.

圖3 列車發(fā)車時(shí)間間隔為30 s時(shí)追蹤節(jié)能分析

圖4 列車發(fā)車時(shí)間間隔為60 s時(shí)追蹤節(jié)能分析

圖5 列車發(fā)車時(shí)間間隔為90 s時(shí)追蹤節(jié)能分析

圖6 列車發(fā)車時(shí)間間隔為120 s時(shí)追蹤節(jié)能分析

圖7 列車發(fā)車時(shí)間間隔為150 s時(shí)追蹤節(jié)能分析

通過以上分析，各發(fā)車時(shí)間間隔下，列車運(yùn)行中接觸網(wǎng)的電壓值和變電站消耗的功率等參數(shù)如表1所示.

表1 各發(fā)車間隔時(shí)間下接觸網(wǎng)及變電站參數(shù)變化表

4 結(jié)論

本文基于深圳地鐵一號線車輛和線路的真實(shí)數(shù)據(jù)，建立列車質(zhì)量及力學(xué)模型、列車牽引與制動功率模型、列車牽引力及制動力模型和列車供電網(wǎng)絡(luò)模型，并結(jié)合深圳地鐵現(xiàn)狀的運(yùn)營狀況，通過改變列車在同一供電臂內(nèi)的追蹤運(yùn)行時(shí)間，提高再生制動能量的利用率. 理論上60 s時(shí)再生制動的能量利用率最高，但考慮到終點(diǎn)站車輛折返需要時(shí)間為90 s左右，建議深圳地鐵一號線最佳的發(fā)車時(shí)間間隔為180 s.

[1] 譚復(fù)興. 城市軌道交通概論[M]. 北京：中國鐵道出版社，2013: 238-248, 265-292.

[2] 馬琪. 國產(chǎn)地鐵車輛制動系統(tǒng)[J]. 都市快軌交通，2004, 17（增刊）：101-110.

[3] 吳峻，李圣怡，潘孟春，等. 再生制動的分析與控制[J]. 電工技術(shù)雜志，2001(12): 21-22.

[4] 王彥崢，蘇鵬程. 城市軌道交通再生電能回收技術(shù)方案的研究[J]. 電氣化鐵道，2004(2): 37-40.

[5] 周劍斌，蘇浚，何泳斌. 地鐵列車運(yùn)行再生能利用的研究[J]. 城市軌道交通研究，2004(4): 84-86.

[6] 周光海，梁錦發(fā). 深圳地鐵一期工程地鐵列車[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2006, 29(4): 62-67.

[7] 張宇. 深圳地鐵一號線（續(xù)建）車輛牽引仿真計(jì)算[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2008, 31(5): 12-15.

[8] 屈海洋，高春宏. 深圳地鐵一號線續(xù)建工程車輛介紹[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2009, 32(5): 5-9.

[9] 唐明輝，王健全，徐國梁. 城市軌道交通列車編組形式與牽引電機(jī)的選擇[J]. 機(jī)車電傳動，2005(5): 50-53.

[10] 石紅國，彭其淵，郭寒英. 城市軌道交通牽引計(jì)算算法[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2004, 4(3): 30-33.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

Research on Regenerative Braking Energy Saving for Shenzhen Metro Vehicles Based on Departing Time Interval

HUANGZun-di1, FUSi-liang2, CHANGNing1, CHENYuan-sheng1, WENJian1, SUJin-lei1

(1. School of Railway Tracks and Transportation, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Operation Headquarter of Shenzhen Metro Group Co., Ltd, Shenzhen 518040, China)

Using real data of Shenzhen Metro Line One, a train quality and mechanics model, a train traction and braking power model, a train traction and braking force model and a train power supply network model were established to study vehicle regenerative braking energy efficiency based on the departure time interval. Results through MATLAB SIMULINK simulation calculations were derived as follows: on the same power arm, when two vehicles’ track time is 60 s or 180 s, energy efficiency is higher, catenary impulse voltage is lower and power consumption by traction substations is also lower. Considering the vehicle return time being about 90 s at terminal or regional stations of Shenzhen Metro Line One, it is recommended that the departure time interval is adjusted to 180 s.

urban rail transit vehicle; departing time intervals; regenerative braking; energy efficiency

1006-7302（2015）03-0057-06

U270.2

A

2014-11-24

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201311349010）；五邑大學(xué)第六屆機(jī)械工程重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（20215012）

黃尊地（1987—），男，山東濟(jì)寧人，講師，在讀博士生，從事軌道交通車輛研究.