城市軌道交通列車牽引節(jié)能綜合技術(shù)研究與實(shí)踐

彭 磊

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州∥工程師）

2016年廣州地鐵線網(wǎng)全年運(yùn)營(yíng)能耗為110 878萬(wàn)kWh。其中，列車牽引能耗在運(yùn)營(yíng)能耗中占的比例最大，占57%，是運(yùn)營(yíng)能耗的主要組成部分（見(jiàn)表1）。因此，列車牽引節(jié)能是軌道交通運(yùn)營(yíng)節(jié)能的關(guān)鍵。

表1 廣州地鐵線網(wǎng)2016年總運(yùn)營(yíng)能耗組成

1 影響列車牽引能耗的關(guān)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(yùn)行計(jì)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(qū)間的列車牽引曲線如圖1所示。列車從車站起動(dòng)到進(jìn)站停車一般需經(jīng)過(guò)牽引、巡航、惰行及制動(dòng)等4個(gè)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(yùn)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(guān)的關(guān)系。以6輛編組B型車為例，當(dāng)v巡=120 km/h時(shí)，在長(zhǎng)度為3 km某區(qū)間的列車牽引能耗如表2所示。

表2 某區(qū)間列車牽引能耗與v巡的關(guān)系

1.1.2 工況組合

列車惰行時(shí)外部無(wú)電流輸入，列車處于自由滑行狀態(tài)。為控制速度，惰行一般選取在上坡段。由于列車受重力及風(fēng)阻力作用，其惰行速度逐漸降低。電流-距離曲線可見(jiàn)，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(qū)間列車牽引曲線

1.2 運(yùn)行計(jì)劃

在列車制動(dòng)時(shí)，由再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量，會(huì)先供給列車自身的空調(diào)及照明等輔助系統(tǒng)。其余能量大部分會(huì)反饋至電網(wǎng)；如路網(wǎng)中有正在加速的列車，則這部分能量會(huì)供加速列車使用，否則，這些能量就會(huì)經(jīng)由高阻值電阻（或其他方式）消耗成熱能?？梢?jiàn)，圖定行車計(jì)劃中處于牽引工況的列車和處于制動(dòng)工況的列車時(shí)間重疊越多，則再生制動(dòng)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(shè)置應(yīng)考慮列車出站加速、進(jìn)站減速的特點(diǎn)，配合出站下坡、進(jìn)站上坡的“高車站、低區(qū)間”的V形坡更有利于節(jié)能。

（2）線路平面：線路平面曲線會(huì)增加列車所受阻力。曲線半徑越小，其產(chǎn)生的附加阻力越大，對(duì)牽引節(jié)能就越不利。廣州地鐵4、5、6號(hào)線牽引能耗數(shù)據(jù)如表3所示。可見(jiàn)，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(hào)線牽引能耗數(shù)據(jù)

（3）站間距：列車在牽引階段及制動(dòng)階段的電流較大，在巡航階段的電流較??；因此理論上牽引段及制動(dòng)段在區(qū)間運(yùn)行中所占比例越低，巡航段越長(zhǎng)，牽引能耗就越低。站間距越大，巡航段越長(zhǎng)，牽引段及制動(dòng)段在區(qū)間運(yùn)行中所占比例越低，車公里牽引能耗越小。當(dāng)v巡=80 km/h時(shí)，計(jì)算得到不同站間距對(duì)應(yīng)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(guān)系

2 牽引節(jié)能綜合技術(shù)

借助牽引計(jì)算仿真系統(tǒng)，可根據(jù)定義的列車及線路條件數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合給定的計(jì)算條件對(duì)列車運(yùn)行情況進(jìn)行模擬計(jì)算，從而得出相應(yīng)的牽引曲線為方案分析提供依據(jù)。牽引計(jì)算仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

2.1 駕駛策略節(jié)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(shí)現(xiàn)牽引節(jié)能，應(yīng)合理選擇列車巡航速度。在高峰時(shí)段，客流量大，運(yùn)能要求較高，故應(yīng)優(yōu)先保證運(yùn)輸能力，盡量提高巡航速度；平峰時(shí)段，客流量一般不大，可適當(dāng)降低巡航速度，達(dá)到牽引節(jié)能的目的。

圖3 牽引計(jì)算仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

以廣州地鐵7號(hào)線一期項(xiàng)目為例，按照上述原則，采用高峰時(shí)段v巡為80 km/h，平峰時(shí)段v巡為75 km/h的節(jié)能策略按運(yùn)營(yíng)初期列車開(kāi)行150對(duì)/d進(jìn)行仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采用節(jié)能策略較全日采用單一巡航速度（80 km/h）可節(jié)約電費(fèi)50～55萬(wàn)元/a。

2.1.2 基于駕駛策略優(yōu)化的單車節(jié)能牽引曲線方案

根據(jù)目前列車單車牽引曲線（見(jiàn)圖4），一般列車需要在區(qū)間中部維持75 km/h勻速運(yùn)行，需持續(xù)提供牽引力供電電流應(yīng)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(qū)間運(yùn)行中多次利用惰行進(jìn)行節(jié)能（如圖5所示），設(shè)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(dòng)，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(qū)間運(yùn)行時(shí)間不變，不影響全線運(yùn)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(jié)果顯示，本算例區(qū)間牽引總能耗較原方案降低5.04%。

基于上述節(jié)能優(yōu)化曲線，對(duì)廣州地鐵7號(hào)線一期工程全線有條件的區(qū)段進(jìn)行全線牽引優(yōu)化對(duì)比（見(jiàn)圖6～8），7號(hào)線全日牽引能耗可降低13 311 kwh。

圖4 目前國(guó)內(nèi)軌道交通典型單車牽引曲線

圖5 基于駕駛策略優(yōu)化后的單車牽引曲線方案

2.2 運(yùn)行圖節(jié)能優(yōu)化

在編制列車運(yùn)行計(jì)劃（列車運(yùn)行圖）時(shí)，應(yīng)對(duì)常規(guī)運(yùn)行圖中的停站時(shí)間及發(fā)車間隔進(jìn)行調(diào)整，使盡可能多的運(yùn)行線間同一時(shí)刻牽引工況和制動(dòng)工況重疊，達(dá)到再生制動(dòng)能量的吸收及整條線路牽引能耗降低的目的，同時(shí)盡量避免列車同時(shí)起動(dòng)牽引的發(fā)生，以降低線路供電負(fù)荷壓力。

圖6 7號(hào)線一期原牽引曲線方案模擬計(jì)算圖

圖7 7號(hào)線牽引曲線優(yōu)化方案模擬計(jì)算圖

圖8 7號(hào)線牽引曲線優(yōu)化后節(jié)能效果對(duì)比

圖9 廣州地鐵7號(hào)線節(jié)能運(yùn)行圖節(jié)能效果對(duì)比

按照上述優(yōu)化原理，對(duì)廣州地鐵7號(hào)線一期運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。調(diào)整原則為：區(qū)間運(yùn)行時(shí)間調(diào)整不超過(guò)5 s，高峰及平峰車站停站時(shí)間調(diào)整分別不超過(guò)10 s和30 s。由此得出7號(hào)線優(yōu)化后的運(yùn)行圖。

優(yōu)化運(yùn)行圖后，由仿真模擬結(jié)果可見(jiàn)，優(yōu)化后的運(yùn)行圖節(jié)能效果明顯（見(jiàn)圖9），其全日牽引能耗降低18 849 kwh。

2.3 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段牽引節(jié)能條件預(yù)留

除在線路開(kāi)通后運(yùn)營(yíng)組織上采取相應(yīng)手段外，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段為后期運(yùn)營(yíng)節(jié)能創(chuàng)造良好條件同樣重要。良好的線路條件是線路運(yùn)營(yíng)節(jié)能的先天優(yōu)勢(shì)。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮預(yù)留以下節(jié)能條件：

（1）考慮“高車站、低區(qū)間”的節(jié)能坡線路縱斷面設(shè)計(jì)。

（2）避免采用限速曲線，特別是小曲線半徑，尤其不宜在區(qū)間中部設(shè)置限速曲線。

（3）站點(diǎn)設(shè)置要充分考慮列車速度性能的發(fā)揮，盡可能增加非牽引及非制動(dòng)段的長(zhǎng)度，提高達(dá)速比。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)影響牽引能耗的關(guān)鍵因素分析，結(jié)合廣州地鐵運(yùn)營(yíng)能耗的實(shí)際情況，針對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段和開(kāi)通運(yùn)營(yíng)階段提出了牽引節(jié)能的綜合措施。通過(guò)理論分析和仿真模擬計(jì)算，這些措施可節(jié)能5%～10%。這不僅為已開(kāi)通地鐵線路的城市運(yùn)營(yíng)綜合節(jié)能提供建議，也可為國(guó)內(nèi)城市軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)階段節(jié)能措施提供參考。

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