張本松,饒河平
(廣州有軌電車有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510000)
廣州海珠線儲能式現(xiàn)代有軌電車采用超級電容作為區(qū)間運(yùn)行能量源,列車運(yùn)行能耗直接影響越站能力,進(jìn)而影響運(yùn)營組織的策略。本文詳細(xì)分析計算了列車運(yùn)行能耗數(shù)據(jù),并針對能耗構(gòu)成提出了相應(yīng)的節(jié)能對策。
廣州海珠線為全地面線,長7.7km,設(shè)11個車站。列車采用3動1拖編組。車輛采用被動式受電器,站內(nèi)最大充電時間30s。
列車運(yùn)行能耗主要由3部分構(gòu)成:包括列車牽引能耗、空調(diào)能耗、低壓控制能耗。下面主要對上述3部分能耗進(jìn)行分析。
當(dāng)有軌電車運(yùn)行于不同工況下,運(yùn)行阻力的構(gòu)成也不同。牽引工況時,主要包括加速阻力和滾動阻力;勻速工況或惰行工況時,主要包括滾動阻力;再生制動工況時,主要包括減速阻力和滾動阻力。
2.1.1 受力分析
根據(jù)相關(guān)資料,確定列車的基本單位阻力公式如下:
其中:速度單位為km/h。
列車坡道單位阻力公式如下:
其中:L為列車長度。列車處于變坡道點(diǎn)時,l為列車前端在坡道上的車身長度,i1為列車車身前端所處坡道的坡度。
列車曲線單位阻力公式如下:
其中:R為曲線半徑,直線段時取∞,L為列車長度;列車處于變曲線點(diǎn)時,為列車前端在坡道上的車身長度,l為列車車身前端所處坡道的坡度。
綜上所述,列車運(yùn)行阻力公式為:
其中:fre為單位運(yùn)行阻力,單位為N/kN;M為車輛質(zhì)量,單位為t。
2.1.2 電機(jī)輸出特性
(1)牽引力計算。
根據(jù)相關(guān)資料,可以得到列車加速度公式為:
對膝點(diǎn)1進(jìn)行計算,此時電機(jī)功率為:
對膝點(diǎn)2進(jìn)行計算,此時:
綜上所述,AW2載荷下,速度與牽引力的關(guān)系為:
(2)制動力計算。
根據(jù)相關(guān)資料,可以得到列車制動減速度公式為:
電機(jī)最大制動功率為:
則有AW2載荷下,速度與制動力之間的關(guān)系為:
其中:n為電機(jī)個數(shù)。
(3)列車功率及能量計算公式。
列車的速度位移公式為:
輪周機(jī)械功率為:
其中:速度單位為km/h,力單位為kN,功率單位為kW。
牽引逆變器輸入功率為:
牽引力做功:
電制動力做功:
車廂內(nèi)部的總熱負(fù)荷計算公式如下:
(1)通過車體隔熱壁的傳熱量。
其中:K為車體等效傳熱系數(shù),A為傳熱面積,Tw為室外溫度,Tn為室內(nèi)溫度。
則車輛車體綜合傳熱系數(shù):
K1為典型截面的傳熱系數(shù)折算車體隔熱壁等效傳熱系數(shù),K2為取每節(jié)車漏風(fēng)量引起的附加傳熱系數(shù)。
(2)進(jìn)入車內(nèi)的太陽輻射熱。
進(jìn)入車內(nèi)的太陽輻射強(qiáng)度為:
鋁合金輻射系數(shù)為0.3,太陽輻射吸收系數(shù)取為0.5,則有:
其中:A1為車頂面積。
(3)車內(nèi)人員放出的熱量。
(4)車內(nèi)儀器放出的熱量。
按照經(jīng)驗取為:
(5)新鮮空氣的熱負(fù)荷。
根據(jù)空調(diào)新風(fēng)參數(shù)的要求,則有:
(6)停站開門熱負(fù)荷。
按照經(jīng)驗,每次開門約有一半體積的冷空氣置換為熱空氣:
根據(jù)試驗測試,低壓控制能耗主要為列車24V,低壓系統(tǒng)能耗功率約為4kW。
為簡化計算過程,且考慮到線路特征和牽引特性,典型區(qū)間取為平直段770m長,速度曲線平滑。室外、室內(nèi)的氣溫分別取為35℃、26℃,太陽高度角取為90°,并忽略地面輻射反射強(qiáng)度。逆變器、電機(jī)、傳動系統(tǒng)效率分別取為95%、95%、90%。
分析結(jié)果如下:
(1)將列車限速分別由70km/h降為50km/h、由50km/h降為40km/h,區(qū)間能耗分別下降26.9%、9.2%,運(yùn)行時間分別增加了29.8%、31.1%。
(2)坡道顯著增大區(qū)間能耗約30.1%;曲線增大區(qū)間能耗約10.3%;人行過軌會增大區(qū)間能耗約27.3%。
綜上計算及分析結(jié)果可知,運(yùn)行能耗主要受到坡道、人行過軌、限速等因素的影響。
對于已建成的線路,其充電裝置配置和儲能電源容量已固定,故節(jié)能措施應(yīng)著眼于提高續(xù)航里程。
(1)在人行過軌處設(shè)置自動?xùn)艡?,列車靠近時形成安全封閉區(qū)間,使列車速度曲線更平滑。
(2)結(jié)合區(qū)間長度、路口等因素,按照節(jié)時節(jié)能原則,合理設(shè)置各區(qū)間的限速。
對于新建線路,應(yīng)避免單個運(yùn)行區(qū)間或者越站運(yùn)行區(qū)間能耗過大,進(jìn)而在保證列車越站能力的前提下,減少充電裝置數(shù)量和儲能電源容量,因此:
(1)應(yīng)盡量避免或者減小坡道,對于大坡度的長坡道區(qū)間,應(yīng)適度增設(shè)充電裝置。
(2)應(yīng)盡量靠近站臺前后設(shè)置人行過軌或路口。
(3)應(yīng)盡量使中間區(qū)間更加均勻,頭尾區(qū)間適當(dāng)偏小。
目前,我國儲能式有軌電車線路的建設(shè)正在如火如荼進(jìn)行。計算分析列車運(yùn)行能耗,可對已建成線路制定更加合理的運(yùn)營組織方案,對新建線路優(yōu)化配置充電站與車載儲能電源容量,具有實(shí)際而廣泛的經(jīng)濟(jì)效益。