摘 要: 通過對(duì)廣州地鐵一號(hào)線列車在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)牽引系統(tǒng)能量消耗的分析, 表明: 目前地鐵列車再生反饋制動(dòng)的節(jié)能效果明顯, 在運(yùn)營(yíng)行車密度足夠大的情況下, 通過制動(dòng)電阻消耗的能量是很有限的。 關(guān)鍵詞: 地鐵列車; 能耗; 反饋制動(dòng); 制動(dòng)電阻; 節(jié)能 0 引言 近年來(lái), 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的迅猛發(fā)展, 各主要城市地鐵事業(yè)正在迅速發(fā)展, 在未來(lái)的幾年我國(guó)將會(huì)有更多的地鐵線路和更多的地鐵列車投入運(yùn)營(yíng)。便利的城市軌道交通為市民的出行帶來(lái)了極大便利的同時(shí), 也帶來(lái)了電能消耗的迅速增加。眾所周知, 現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展必須依靠能源, 而我國(guó)又是一個(gè)能源相對(duì)比較缺乏的國(guó)家。因此, 研究地鐵列車的能源消耗情況, 分析并研究地鐵列車節(jié)能途徑是一件迫在眉睫的工作。 1 地鐵列車反饋制動(dòng)的使用 城市軌道交通列車的特點(diǎn)就是線路的站間距短, 列車運(yùn)行時(shí)頻繁地起動(dòng)、制動(dòng), 就廣州地鐵而言, 現(xiàn)有線路基本上在列車達(dá)到最高速時(shí)很快就會(huì)制動(dòng)。同時(shí), 為了讓列車能夠準(zhǔn)確地按照運(yùn)行圖來(lái)運(yùn)行, 城市軌道車輛在ATO（ 自動(dòng)駕駛） 模式下都是采用巡航方式來(lái)運(yùn)行。目前,我國(guó)地鐵列車大都采用接觸網(wǎng) / 軌直流供電, 牽引系統(tǒng)大都是變壓變頻的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。列車牽引時(shí)從電網(wǎng)吸收能量, 制動(dòng)時(shí)采用反饋制動(dòng)把制動(dòng)能量反饋回電網(wǎng), 當(dāng)電網(wǎng)電壓升高到一定程度（ 1 800 V） 時(shí)采用電阻制動(dòng)。基于地鐵車輛快速起動(dòng)、快速制動(dòng)、全線以精確的預(yù)設(shè)速度運(yùn)行的特點(diǎn), 列車在起動(dòng)時(shí)會(huì)消耗大量的電能, 在制動(dòng)時(shí)就必然要產(chǎn)生相當(dāng)大的制動(dòng)能量。反饋制動(dòng)把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能送入電網(wǎng)供其它列車使用, 這極大地降低了列車的實(shí)際能量損耗。 但是, 由于列車運(yùn)行圖及整個(gè)線路多種因素的影響,列車配置了制動(dòng)電阻來(lái)消耗列車制動(dòng)時(shí)線路其它列車不能吸收的制動(dòng)能量。廣州地鐵現(xiàn)有 4 條地鐵線路, 制動(dòng)電阻的使用情況如表 1 所示。 而制動(dòng)電阻的使用有以下弊端: 1） 制動(dòng)電阻消耗電能, 制動(dòng)能量被浪費(fèi); 2） 有強(qiáng)迫風(fēng)冷的制動(dòng)電阻, 列車必須提供強(qiáng)迫風(fēng), 這也是一種電能的浪費(fèi); 3） 車載的制動(dòng)電阻增加了列車重量, 同時(shí)增加了列車的造價(jià); 4） 制動(dòng)電阻發(fā)熱對(duì)列車其它設(shè)備和隧道內(nèi)其它設(shè)備造成影響。 基于以上使用制動(dòng)電阻弊端的考慮, 近年來(lái)有人提出了采用超級(jí)電容的方案來(lái)代替制動(dòng)電阻。而且超級(jí)電容也分車載和地面放置兩種方案來(lái)考慮。對(duì)于地鐵列車有沒有必要采用超級(jí)電容, 筆者認(rèn)為需要從節(jié)能效果和制造維修成本等方面來(lái)考慮。為了能夠得到比較準(zhǔn)確的列車能量消耗的數(shù)據(jù), 我們對(duì)廣州地鐵一號(hào)線列車在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)的能量消耗情況進(jìn)行了測(cè)量。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析, 明確了廣州地鐵一號(hào)線列車能耗的實(shí)際情況, 為綜合考慮地鐵列車節(jié)能方案提供依據(jù)。 2 數(shù)據(jù)的采集 2.1 數(shù)據(jù)采集的時(shí)間（ 見表 2） 由于城軌列車在運(yùn)營(yíng)的不同時(shí)段列車間隔是不同的, 而不同間隔下列車制動(dòng)時(shí)反饋電能被其它列車吸收的情況也可能不同。因此, 我們測(cè)量了列車分別在高峰和低峰運(yùn)行下的能量消耗。 廣州地鐵一號(hào)線列車牽引控制單元（ DCU） 信號(hào)處理板上有相應(yīng)信號(hào)測(cè)量的接口, 這為我們此次測(cè)量帶來(lái)了極大的方便, 表 3 中 A327 指的是 DCU 的一塊信號(hào)處理板, PB115 指的是測(cè)量接口。由于我們所采集的這些信號(hào)最終是用來(lái)進(jìn)行列車控制矢量計(jì)算的信號(hào), 此處取得的信號(hào)值是非常準(zhǔn)確的。因此不考慮測(cè)量誤差。 [b]3 計(jì)算采用的概念 [/b] 鑒于此前我們并沒有看到完全針對(duì)地鐵列車能量消耗進(jìn)行的測(cè)量、計(jì)算和分析, 因此, 本文定義以下幾個(gè)概念, 主要目的是為了能夠完全清晰地描述列車能量的消耗情況。 1） 列車牽引系統(tǒng)輸入能量: 列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)牽引系統(tǒng)從電網(wǎng)取得的總電能, 其值是運(yùn)行時(shí)間內(nèi)對(duì)電容電壓和正向線電流乘積的積分。 2） 再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能: 列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)通過再生制動(dòng)反饋進(jìn)電網(wǎng)的能量, 其值是制動(dòng)時(shí)間內(nèi)對(duì)電容電壓和反向線電流乘積的積分。 3） 制動(dòng)電阻能耗: 制動(dòng)斬波相開通時(shí)在制動(dòng)電阻上消耗的能量, 其值是制動(dòng)時(shí)間內(nèi)對(duì)電容電壓和斬波相電流乘積的積分。 4） 列車實(shí)際牽引電能: 列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)牽引系統(tǒng)實(shí)際消耗的電能。列車實(shí)際牽引電能 = 列車牽引系統(tǒng)輸入能量 - 再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能。 簡(jiǎn)要地說(shuō), 在列車牽引期間, 列車從電網(wǎng)吸收了能量, 這就是“列車牽引系統(tǒng)輸入能量”; 列車在進(jìn)行制動(dòng)時(shí), 在電制動(dòng)滿足列車制動(dòng)要求的情況之下, 列車向電網(wǎng)反饋了電能, 這部分電能就是“再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能”;在列車制動(dòng)期間, 當(dāng)電網(wǎng)電壓由于列車反饋制動(dòng)的原因升高到 1 800 V 以上時(shí), 列車不能再繼續(xù)進(jìn)行反饋制動(dòng),此時(shí), 列車制動(dòng)電阻投入使用, 在制動(dòng)電阻上消耗的電能就是“制動(dòng)電阻能耗”; 列車在正線運(yùn)營(yíng)期間, 不管電能是列車加速時(shí)消耗的, 還是制動(dòng)期間消耗在了制動(dòng)電阻上,對(duì)電網(wǎng)而言, 都是對(duì)電能的消耗, 因此我們定義一個(gè)“列車實(shí)際牽引電能”的概念。從電網(wǎng)對(duì)列車的能耗輸出這一角度來(lái)看“,列車實(shí)際牽引電能”包括了“制動(dòng)電阻能耗”。 為了能夠?qū)α熊囋趨^(qū)間運(yùn)行時(shí)電能的去向有一個(gè)比較直觀的認(rèn)識(shí), 我們采用以下兩個(gè)概念進(jìn)行分析。 1） 再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率 其表達(dá)公式如下: 再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的 地鐵列車在加速牽引時(shí)牽引系統(tǒng)會(huì)有大量的電能轉(zhuǎn)換為列車動(dòng)能, 而在制動(dòng)時(shí)也會(huì)有相當(dāng)一部分列車動(dòng)能通過牽引逆變器的轉(zhuǎn)換以電能的形式反饋回電網(wǎng)。通過對(duì)“再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能”和“列車牽引系統(tǒng)輸入能量”兩個(gè)量進(jìn)行定量的比較分析, 我們可以直觀的認(rèn)識(shí)到列車牽引時(shí)牽引系統(tǒng)吸收電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為列車動(dòng)能再在制動(dòng)期間把列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的這一過程中能量的轉(zhuǎn)移、消耗情況。 對(duì)電網(wǎng)而言,“列車牽引系統(tǒng)輸入能量 ”不是真正的消耗, 列車實(shí)際牽引電能才是對(duì)電網(wǎng)電能的真正消耗, 也就是說(shuō)“:列車牽引系統(tǒng)輸入能量 ”剔除了“再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能”這一部分, 它才是列車牽引系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電能的真正消耗, 即“列車實(shí)際牽引電能”。 2） 制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率, 其表達(dá)公式如下: 制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率 = 列車牽引系統(tǒng)在加速牽引階段吸收了電網(wǎng)大量的電能, 在反饋制動(dòng)階段向電網(wǎng)反饋了部分電能。除此之外,從電網(wǎng)的角度來(lái)看, 沒有能夠反饋回電網(wǎng)的電能全部被列車吸收了, 這一部分就是以上所說(shuō)的“列車實(shí)際牽引電能”。但是, 對(duì)列車本身而言, 這部分電能大多都用于列車加速牽引、惰行、制動(dòng)等各運(yùn)行階段整個(gè)系統(tǒng)的消耗上,如軌道的阻力、風(fēng)阻、整個(gè)牽引系統(tǒng)（ 牽引逆變器、牽引電機(jī)、線路） 熱能消耗、能量形式轉(zhuǎn)換過程中的能量損失等,以上這些能量的消耗與列車行駛的線路、整個(gè)線網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān), 同時(shí)也與列車牽引系統(tǒng)的效率有關(guān), 在此我們不作詳細(xì)分析。 “列車實(shí)際牽引電能”還有一少部分是當(dāng)電網(wǎng)電壓升高到 1 800 V 以上時(shí), 列車制動(dòng)電阻投入使用, 此時(shí)的“制動(dòng)電阻能耗”有助于我們定量分析討論列車制動(dòng)電阻的價(jià)值所在, 因此我們通過“制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率”來(lái)定量討論“制動(dòng)電阻能耗”。 [b]4 能耗測(cè)試數(shù)據(jù) [/b] 廣州地鐵一號(hào)線是 6 節(jié)編組, 4 個(gè)動(dòng)車 2 個(gè)拖車?？紤]到一列車 4 個(gè)動(dòng)車的牽引系統(tǒng)完全相同, 本次測(cè)量?jī)H采集一個(gè)動(dòng)車的牽引系統(tǒng)的信號(hào)。 通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算, 我們得到列車在高峰期間各區(qū)間運(yùn)行時(shí)的能量消耗情況, 其匯總表見表 4 與表 5,表中區(qū)間號(hào)是從始發(fā)站開始依次排序。高峰期間, 列車上行時(shí), 再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率為 0.524, 制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率為 0.083 4; 列車下行時(shí), 再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率為 0.496, 制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率為 0.000 8。 表 6 與表 7 是低峰期間列車在各區(qū)間運(yùn)行時(shí)的能量消耗情況的匯總表。低峰期間, 列車上行時(shí), 再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率為 0.47, 制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率為 0.000 9; 列車下行時(shí), 再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率為 0.42, 制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率為 0.031 2。 廣州地鐵一號(hào)線出于安全的考慮, 在列車停站開門時(shí)牽引系統(tǒng)會(huì)開通一次斬波相對(duì)電容進(jìn)行放電。通過對(duì)列車采集的信號(hào)分析, 制動(dòng)電阻能耗小于 0.01 kW/h 的記錄全部是列車在車站停車且開門的瞬間產(chǎn)生的。因此,小于 0.01 kW/h 的記錄全部是對(duì)電容放電的能量, 并不是制動(dòng)時(shí)的消耗。 [b]5 測(cè)量結(jié)果分析 [/b] 1） 列車無(wú)論是在高峰還是在低峰期間運(yùn)行, 電阻制動(dòng)實(shí)際工作的次數(shù)非常少。在高峰期只有上行第 13 個(gè)區(qū)間有一次明顯的電阻制動(dòng), 制動(dòng)電阻消耗 10.5 kW/h 電能。低峰期只有下行第 5 個(gè)區(qū)間有一次明顯的電阻制動(dòng),制動(dòng)電阻消耗 3.1 kW/h 電能。 圖 2 是低峰期間上行第 6 個(gè)區(qū)間列車牽引制動(dòng)的信號(hào), 3 條曲線從上至下依次是 XIN、XUD、XIBS。由于列車在整個(gè)牽引制動(dòng)過程中斬波相沒有任何電流, 因此, 列車在此區(qū)間運(yùn)行時(shí)沒有進(jìn)行電阻制動(dòng)。同時(shí),從圖中的曲線可以看出, 電容電壓迅速下降的同時(shí)斬波相電流瞬間增大, 這就是開門瞬間斬波相開通的記錄。 2） 廣州地鐵一號(hào)線目前“列車牽引系統(tǒng)輸入能量”在制動(dòng)時(shí)有大約 48% 反饋回了電網(wǎng)用于其它列車消耗, 在“列車實(shí)際牽引電能”中有大約 2.9%被制動(dòng)電阻消耗?！傲熊噷?shí)際牽引電能”中 97.1%在列車的運(yùn)行過程中由于線路阻力、風(fēng)阻、制動(dòng)時(shí)補(bǔ)充的氣制動(dòng)等消耗掉了。因此, 不管采用什么方式來(lái)節(jié)能, 理論上能夠節(jié)約的電能不超過目前“列車實(shí)際牽引電能”的 2.9%。 3）“制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率”最大的是高峰期上行時(shí), 達(dá)到了8.34%, 高峰期下行和低峰期上行期間制動(dòng)斬波相均沒有開通, 低峰期下行時(shí)“制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí) 際牽引電能的比率為3.12% 。兩個(gè)往返中總的“制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率”是 2.9%。 圖 3 是高峰期間上行第 13 個(gè)區(qū)間列車牽引制動(dòng)的信號(hào), 可以看出, 斬波相開通時(shí)制動(dòng)電阻的電流非常大, 但此種情況很少發(fā)生。列車制動(dòng)時(shí)反饋的電能大約是實(shí)際牽引時(shí)電能的 48%, 盡管正線運(yùn)營(yíng)列車各自起動(dòng)、制動(dòng)的時(shí)機(jī)受多個(gè)因素的影響, 但我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)化。設(shè)正線運(yùn)營(yíng)列車總數(shù)為m, 制動(dòng)列車數(shù)為 n, 則制動(dòng)列車制動(dòng)能量能夠被牽引列車正好吸收的等式如下: 結(jié)果有: n / m= 0.67 即只要全線制動(dòng)列車的數(shù)量不超過運(yùn)營(yíng)列車數(shù)量的67%, 在不考慮線路損耗的情況之下, 制動(dòng)列車反饋的能量能夠完全被此時(shí)正處于加速狀態(tài)的列車吸收, 此時(shí)列車的反饋制動(dòng)不會(huì)造成電網(wǎng)電壓的升高, 列車制動(dòng)電阻不會(huì)投入使用。 在實(shí)際的運(yùn)行中, 出現(xiàn)超過 67%列車在同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)的情況很少, 因此需要進(jìn)行電阻制動(dòng)的情況也比較少。當(dāng)然, 此處分析不考慮有列車在惰行、停止等狀態(tài), 僅僅做簡(jiǎn)化分析。 4） 由于高峰期載客量明顯比低峰期大, 載客量對(duì)牽引的能耗產(chǎn)生了影響, 低峰期列車行車間隔增大客流減少但制動(dòng)電阻的使用并沒有增加, 即只要列車運(yùn)行圖組織得好, 行車密度足夠大, 間隔均勻, 且同一供電區(qū)間內(nèi)各列車起動(dòng)加速和制動(dòng)的時(shí)機(jī)配合恰當(dāng), 反饋制動(dòng)總是能夠發(fā)揮很好的效果。 6 結(jié)論 目前地鐵列車反饋制動(dòng)的節(jié)能效果是明顯的, 制動(dòng)電阻消耗的能量是有限的, 這也是為什么有些日本城軌系統(tǒng)不配置制動(dòng)電阻的原因。當(dāng)然, 地鐵運(yùn)載系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的工程, 制動(dòng)電阻上消耗的電能很有限并不代表制動(dòng)電阻的作用不大, 也并不代表制動(dòng)電阻可以取消。是否采用制動(dòng)電阻, 制動(dòng)電阻是否要安裝在列車上, 以上問題都必須在地鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。本文通過對(duì)地鐵列車電能消耗的分析, 明確了廣州地鐵一號(hào)線列車能耗的實(shí)際情況, 對(duì)綜合考慮地鐵列車制動(dòng)電能的吸收裝置有借鑒意義。 參考文獻(xiàn): [1] 西門子公司. 廣州地鐵一號(hào)線車輛描述[M]. 柏林: 西門子公司,1998.