关键词: 地铁列车; 能耗; 反馈制动; 制动电阻; 节能
0 引言
近年来, 随着我国经济水平的迅猛发展, 各主要城市地铁事业正在迅速发展, 在未来的几年我国将会有更多的地铁线路和更多的地铁列车投入运营。便利的城市轨道交通为市民的出行带来了极大便利的同时, 也带来了电能消耗的迅速增加。众所周知, 现代经济的迅速发展必须依靠能源, 而我国又是一个能源相对比较缺乏的国家。因此, 研究地铁列车的能源消耗情况, 分析并研究地铁列车节能途径是一件迫在眉睫的工作。
1 地铁列车反馈制动的使用
城市轨道交通列车的特点就是线路的站间距短, 列车运行时频繁地起动、制动, 就广州地铁而言, 现有线路基本上在列车达到最高速时很快就会制动。同时, 为了让列车能够准确地按照运行图来运行, 城市轨道车辆在ATO（ 自动驾驶） 模式下都是采用巡航方式来运行。目前,我国地铁列车大都采用接触网 / 轨直流供电, 牵引系统大都是变压变频的交流传动系统。列车牵引时从电网吸收能量, 制动时采用反馈制动把制动能量反馈回电网, 当电网电压升高到一定程度（ 1 800 V） 时采用电阻制动。基于地铁车辆快速起动、快速制动、全线以精确的预设速度运行的特点, 列车在起动时会消耗大量的电能, 在制动时就必然要产生相当大的制动能量。反馈制动把动能转化为电能送入电网供其它列车使用, 这极大地降低了列车的实际能量损耗。
但是, 由于列车运行图及整个线路多种因素的影响,列车配置了制动电阻来消耗列车制动时线路其它列车不能吸收的制动能量。广州地铁现有 4 条地铁线路, 制动电阻的使用情况如表 1 所示。
而制动电阻的使用有以下弊端: 1） 制动电阻消耗电能, 制动能量被浪费; 2） 有强迫风冷的制动电阻, 列车必须提供强迫风, 这也是一种电能的浪费; 3） 车载的制动电阻增加了列车重量, 同时增加了列车的造价; 4） 制动电阻发热对列车其它设备和隧道内其它设备造成影响。
基于以上使用制动电阻弊端的考虑, 近年来有人提出了采用超级电容的方案来代替制动电阻。而且超级电容也分车载和地面放置两种方案来考虑。对于地铁列车有没有必要采用超级电容, 笔者认为需要从节能效果和制造维修成本等方面来考虑。为了能够得到比较准确的列车能量消耗的数据, 我们对广州地铁一号线列车在正常运营时的能量消耗情况进行了测量。通过对测量数据的分析, 明确了广州地铁一号线列车能耗的实际情况, 为综合考虑地铁列车节能方案提供依据。
2 数据的采集
2.1 数据采集的时间（ 见表 2）
由于城轨列车在运营的不同时段列车间隔是不同的, 而不同间隔下列车制动时反馈电能被其它列车吸收的情况也可能不同。因此, 我们测量了列车分别在高峰和低峰运行下的能量消耗。
广州地铁一号线列车牵引控制单元（ DCU） 信号处理板上有相应信号测量的接口, 这为我们此次测量带来了极大的方便, 表 3 中 A327 指的是 DCU 的一块信号处理板, PB115 指的是测量接口。由于我们所采集的这些信号最终是用来进行列车控制矢量计算的信号, 此处取得的信号值是非常准确的。因此不考虑测量误差。
3 计算采用的概念
鉴于此前我们并没有看到完全针对地铁列车能量消耗进行的测量、计算和分析, 因此, 本文定义以下几个概念, 主要目的是为了能够完全清晰地描述列车能量的消耗情况。
1） 列车牵引系统输入能量: 列车在区间运行时牵引系统从电网取得的总电能, 其值是运行时间内对电容电压和正向线电流乘积的积分。
2） 再生制动馈入电网电能: 列车在区间运行时通过再生制动反馈进电网的能量, 其值是制动时间内对电容电压和反向线电流乘积的积分。
3） 制动电阻能耗: 制动斩波相开通时在制动电阻上消耗的能量, 其值是制动时间内对电容电压和斩波相电流乘积的积分。
4） 列车实际牵引电能: 列车在区间运行时牵引系统实际消耗的电能。列车实际牵引电能 = 列车牵引系统输入能量 - 再生制动馈入电网电能。
简要地说, 在列车牵引期间, 列车从电网吸收了能量, 这就是“列车牵引系统输入能量”; 列车在进行制动时, 在电制动满足列车制动要求的情况之下, 列车向电网反馈了电能, 这部分电能就是“再生制动馈入电网电能”;在列车制动期间, 当电网电压由于列车反馈制动的原因升高到 1 800 V 以上时, 列车不能再继续进行反馈制动,此时, 列车制动电阻投入使用, 在制动电阻上消耗的电能就是“制动电阻能耗”; 列车在正线运营期间, 不管电能是列车加速时消耗的, 还是制动期间消耗在了制动电阻上,对电网而言, 都是对电能的消耗, 因此我们定义一个“列车实际牵引电能”的概念。从电网对列车的能耗输出这一角度来看“,列车实际牵引电能”包括了“制动电阻能耗”。
为了能够对列车在区间运行时电能的去向有一个比较直观的认识, 我们采用以下两个概念进行分析。
1） 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率
其表达公式如下:
再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的
地铁列车在加速牵引时牵引系统会有大量的电能转换为列车动能, 而在制动时也会有相当一部分列车动能通过牵引逆变器的转换以电能的形式反馈回电网。通过对“再生制动馈入电网电能”和“列车牵引系统输入能量”两个量进行定量的比较分析, 我们可以直观的认识到列车牵引时牵引系统吸收电网电能转化为列车动能再在制动期间把列车动能转化为电能的这一过程中能量的转移、消耗情况。
对电网而言,“列车牵引系统输入能量 ”不是真正的消耗, 列车实际牵引电能才是对电网电能的真正消耗, 也就是说“:列车牵引系统输入能量 ”剔除了“再生制动馈入电网电能”这一部分, 它才是列车牵引系统对电网电能的真正消耗, 即“列车实际牵引电能”。
2） 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率,
其表达公式如下:
制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率 =
列车牵引系统在加速牵引阶段吸收了电网大量的电能, 在反馈制动阶段向电网反馈了部分电能。除此之外,从电网的角度来看, 没有能够反馈回电网的电能全部被列车吸收了, 这一部分就是以上所说的“列车实际牵引电能”。但是, 对列车本身而言, 这部分电能大多都用于列车加速牵引、惰行、制动等各运行阶段整个系统的消耗上,如轨道的阻力、风阻、整个牵引系统（ 牵引逆变器、牵引电机、线路） 热能消耗、能量形式转换过程中的能量损失等,以上这些能量的消耗与列车行驶的线路、整个线网的运行状态有关, 同时也与列车牵引系统的效率有关, 在此我们不作详细分析。
“列车实际牵引电能”还有一少部分是当电网电压升高到 1 800 V 以上时, 列车制动电阻投入使用, 此时的“制动电阻能耗”有助于我们定量分析讨论列车制动电阻的价值所在, 因此我们通过“制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率”来定量讨论“制动电阻能耗”。
4 能耗测试数据
广州地铁一号线是 6 节编组, 4 个动车 2 个拖车。考虑到一列车 4 个动车的牵引系统完全相同, 本次测量仅采集一个动车的牵引系统的信号。
通过对测量数据的计算, 我们得到列车在高峰期间各区间运行时的能量消耗情况, 其汇总表见表 4 与表 5,表中区间号是从始发站开始依次排序。高峰期间, 列车上行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.524, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.083 4; 列车下行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.496, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.000 8。
表 6 与表 7 是低峰期间列车在各区间运行时的能量消耗情况的汇总表。低峰期间, 列车上行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.47, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.000 9; 列车下行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.42, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.031 2。
广州地铁一号线出于安全的考虑, 在列车停站开门时牵引系统会开通一次斩波相对电容进行放电。通过对列车采集的信号分析, 制动电阻能耗小于 0.01 kW/h 的记录全部是列车在车站停车且开门的瞬间产生的。因此,小于 0.01 kW/h 的记录全部是对电容放电的能量, 并不是制动时的消耗。
5 测量结果分析
1） 列车无论是在高峰还是在低峰期间运行, 电阻制动实际工作的次数非常少。在高峰期只有上行第 13 个区间有一次明显的电阻制动, 制动电阻消耗 10.5 kW/h 电能。低峰期只有下行第 5 个区间有一次明显的电阻制动,制动电阻消耗 3.1 kW/h 电能。
图 2 是低峰期间上行第 6 个区间列车牵引制动的信号, 3 条曲线从上至下依次是 XIN、XUD、XIBS。由于列车在整个牵引制动过程中斩波相没有任何电流, 因此, 列车在此区间运行时没有进行电阻制动。同时,从图中的曲线可以看出, 电容电压迅速下降的同时斩波相电流瞬间增大, 这就是开门瞬间斩波相开通的记录。
2） 广州地铁一号线目前“列车牵引系统输入能量”在制动时有大约 48% 反馈回了电网用于其它列车消耗, 在“列车实际牵引电能”中有大约 2.9%被制动电阻消耗。“列车实际牵引电能”中 97.1%在列车的运行过程中由于线路阻力、风阻、制动时补充的气制动等消耗掉了。因此, 不管采用什么方式来节能, 理论上能够节约的电能不超过目前“列车实际牵引电能”的 2.9%。
3）“制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率”最大的是高峰期上行时, 达到了8.34%, 高峰期下行和低峰期上行期间制动斩波相均没有开通, 低峰期下行时“制动电阻能耗占列车实 际牵引电能的比率为3.12% 。两个往返中总的“制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率”是 2.9%。
图 3 是高峰期间上行第 13 个区间列车牵引制动的信号, 可以看出, 斩波相开通时制动电阻的电流非常大, 但此种情况很少发生。列车制动时反馈的电能大约是实际牵引时电能的 48%, 尽管正线运营列车各自起动、制动的时机受多个因素的影响, 但我们可以做一个简化。设正线运营列车总数为m, 制动列车数为 n, 则制动列车制动能量能够被牵引列车正好吸收的等式如下:
结果有: n / m= 0.67
即只要全线制动列车的数量不超过运营列车数量的67%, 在不考虑线路损耗的情况之下, 制动列车反馈的能量能够完全被此时正处于加速状态的列车吸收, 此时列车的反馈制动不会造成电网电压的升高, 列车制动电阻不会投入使用。
在实际的运行中, 出现超过 67%列车在同时进行制动的情况很少, 因此需要进行电阻制动的情况也比较少。当然, 此处分析不考虑有列车在惰行、停止等状态, 仅仅做简化分析。
4） 由于高峰期载客量明显比低峰期大, 载客量对牵引的能耗产生了影响, 低峰期列车行车间隔增大客流减少但制动电阻的使用并没有增加, 即只要列车运行图组织得好, 行车密度足够大, 间隔均匀, 且同一供电区间内各列车起动加速和制动的时机配合恰当, 反馈制动总是能够发挥很好的效果。
6 结论
目前地铁列车反馈制动的节能效果是明显的, 制动电阻消耗的能量是有限的, 这也是为什么有些日本城轨系统不配置制动电阻的原因。当然, 地铁运载系统是一个非常复杂的工程, 制动电阻上消耗的电能很有限并不代表制动电阻的作用不大, 也并不代表制动电阻可以取消。是否采用制动电阻, 制动电阻是否要安装在列车上, 以上问题都必须在地铁系统设计时综合考虑。本文通过对地铁列车电能消耗的分析, 明确了广州地铁一号线列车能耗的实际情况, 对综合考虑地铁列车制动电能的吸收装置有借鉴意义。
参考文献:
[1] 西门子公司. 广州地铁一号线车辆描述[M]. 柏林: 西门子公司,1998.
