王彥崢

0 引言

新中國(guó)成立60 年來(lái)，國(guó)內(nèi)的城市軌道交通從無(wú)到有，從單一線路到四通八達(dá)，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通也得到長(zhǎng)足發(fā)展。截至2013 年6 月，內(nèi)地15 座城市已建成運(yùn)營(yíng)的數(shù)十條城市軌道交通線路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)1 986 km。目前城市軌道交通發(fā)展最快的京、滬、穗三地的運(yùn)營(yíng)里程都已突破千公里，其中運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的上海已達(dá)473 km 以上，北京已達(dá)456 km，廣州地鐵也超過(guò)240 km。至2020 年，京、滬、穗三地的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程都將超過(guò)500 km。目前還有諸多城市的軌道交通正在規(guī)劃和設(shè)計(jì)之中，而3 大城市軌道交通的遠(yuǎn)景規(guī)劃都有望突破1 000 km。

大規(guī)模的地鐵項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)，需要巨大的電能消耗和強(qiáng)大的電力系統(tǒng)支持。地鐵系統(tǒng)的最重要的電能消耗就是列車(chē)，對(duì)列車(chē)的能耗使用情況進(jìn)行分析研究，不論在設(shè)計(jì)階段還是運(yùn)營(yíng)階段都是十分重要的，它直接或間接影響整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)準(zhǔn)確性和未來(lái)數(shù)十年甚至百年的運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性。本文將從列車(chē)運(yùn)行操控模式方面對(duì)列車(chē)能耗進(jìn)行分析，以期引起重視并提出合理化建議。

目前國(guó)內(nèi)地鐵普遍采用的列車(chē)操控模式主要有2 種：一種是采用牽引-惰性-制動(dòng)的控制模式（以下簡(jiǎn)稱惰行模式），另一種是采用牽引-巡航-制動(dòng)的模式（以下簡(jiǎn)稱巡航模式）。這2 種操控模式在國(guó)內(nèi)地鐵均有應(yīng)用，已建的大部分地鐵采用惰行模式運(yùn)行，深圳地鐵1 號(hào)線、4 號(hào)線以及香港地鐵采用巡航模式運(yùn)行。從乘客舒適度看，巡航模式下列車(chē)運(yùn)行更平穩(wěn)，乘客舒適度更好，更有利于列車(chē)智能控制；從能耗角度看，巡航模式下由于不能很好的利用線路勢(shì)能，單列車(chē)的牽引能耗一般相對(duì)較高、制動(dòng)能量也相應(yīng)增大。本文主要從能耗的角度對(duì)本線的列車(chē)運(yùn)行模式進(jìn)行分析并提出建議。

1 不同操控模式下的系統(tǒng)能耗分析

為使不同列車(chē)操控模式下的系統(tǒng)能耗對(duì)比更量化、更清晰，可以使用專業(yè)的計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)選定的某地鐵工程案例進(jìn)行典型性的案例分析。下文利用專業(yè)仿真軟件結(jié)合工程案例對(duì)2 種操控模式下的列車(chē)能耗情況進(jìn)行模擬和統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。

1.1 不同操控模式下的列車(chē)能耗統(tǒng)計(jì)及分析

利用列車(chē)運(yùn)行模擬軟件，對(duì)2 種操控模式下的列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行模擬，其模擬結(jié)果能耗對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 2 種操控模式下列車(chē)能耗對(duì)照表

圖1 顯示了某案例工程的一個(gè)典型區(qū)間中，在2 種操控模式下列車(chē)運(yùn)行曲線。可以看出，巡航模式下，列車(chē)取電時(shí)間和再生電流持續(xù)時(shí)間都更長(zhǎng)。

圖1 不同操控模式下列車(chē)運(yùn)行曲線圖

從表1 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，巡航模式單列車(chē)的牽引能耗相對(duì)較高，但其制動(dòng)能量也有所增高。過(guò)去列車(chē)采用直流斬波電機(jī)（如北京地鐵1 號(hào)線的老車(chē)輛），列車(chē)無(wú)法實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，列車(chē)制動(dòng)能量無(wú)法向牽引網(wǎng)反饋，列車(chē)的牽引能耗直接決定整個(gè)地鐵的系統(tǒng)牽引耗電。在該情況下，列車(chē)的操控模式對(duì)系統(tǒng)的能耗影響較大，從表1 可以看出，巡航模式的牽引耗電是惰行模式下的1.23 倍，能耗相差較大。目前國(guó)內(nèi)地鐵車(chē)輛均已采用具有再生制動(dòng)功能的VVVF 車(chē)輛，直流牽引系統(tǒng)全線貫通為一體，列車(chē)制動(dòng)能量很大部分會(huì)被相鄰的列車(chē)?yán)茫虼藛瘟熊?chē)的列車(chē)運(yùn)行模擬結(jié)果并不能真實(shí)反映整個(gè)系統(tǒng)的能耗差異，應(yīng)該從全線、全系統(tǒng)的角度進(jìn)行全線牽引供電網(wǎng)絡(luò)仿真計(jì)算和分析。據(jù)此，下文對(duì)2 種列車(chē)操控模式下的全線供電系統(tǒng)進(jìn)行不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期的仿真計(jì)算，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 不同操控模式下的饋出功率統(tǒng)計(jì)及分析

目前地鐵已經(jīng)普遍采用VVVF 車(chē)輛，可以將列車(chē)再生制動(dòng)能量向牽引網(wǎng)反饋，因此供電系統(tǒng)仿真計(jì)算過(guò)程中應(yīng)充分考慮列車(chē)再生能量在牽引網(wǎng)中的分布。而要做好列車(chē)運(yùn)行能耗的分析，不僅要對(duì)列車(chē)的運(yùn)行進(jìn)行仿真模擬，還要在列車(chē)運(yùn)行模擬基礎(chǔ)之上利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件分別對(duì)2 種操控模式的全線牽引供電系統(tǒng)的能耗分布情況進(jìn)行模擬分析，才能使分析的結(jié)論更切合目前軌道交通的實(shí)際情況。鑒于此，對(duì)全線各種追蹤間隔下供電系統(tǒng)的牽引所饋出功率統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

從表2 可以看出，考慮VVVF 車(chē)輛的再生制動(dòng)功能后，采用惰性操控模式相對(duì)巡航操控模式更節(jié)能；在列車(chē)密度較低時(shí)，惰行模式比巡航模式的節(jié)能效果更佳；列車(chē)高密度運(yùn)行時(shí)，巡航模式的節(jié)能效果并不十分明顯。這主要是因?yàn)樵诹熊?chē)密度較高時(shí)，再生能量被相鄰列車(chē)吸收的比例較高，雖然巡航模式的純牽引耗電較高，但相應(yīng)的再生能量也較高，因此遠(yuǎn)期列車(chē)密度較高時(shí)，巡航模式的系統(tǒng)牽引總能耗增加并不明顯，而初、近期及非高峰時(shí)段則比較明顯。

地鐵列車(chē)的開(kāi)行方案特點(diǎn)是早晚高峰小時(shí)列車(chē)密度高，其余時(shí)段列車(chē)密度低，全天各時(shí)段的列車(chē)開(kāi)行密度呈雙駝峰分布。根據(jù)案例工程各運(yùn)營(yíng)年度的列車(chē)開(kāi)行方案，分別對(duì)2 種操控模式下供電系統(tǒng)在各種列車(chē)追蹤間隔下的系統(tǒng)饋出能量分布情況進(jìn)行仿真模擬，結(jié)合不同運(yùn)營(yíng)期全日各時(shí)段的列車(chē)密度統(tǒng)計(jì)各運(yùn)營(yíng)階段的2 種操控模式下系統(tǒng)年?duì)恳碾娗闆r如表3 所示。

從表3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，采用惰行模式具有較好的節(jié)能效果。

表2 2 種列車(chē)操控模式下，牽引所總饋出功率比較表

表3 各運(yùn)營(yíng)階段的2 種操控模式下系統(tǒng)年?duì)恳碾娗闆r表

2 結(jié)論與建議

根據(jù)上述模擬統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和分析，初步得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)?shù)罔F采用無(wú)再生功能的車(chē)輛時(shí)，從列車(chē)運(yùn)行模擬的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，采用巡航操控模式的系統(tǒng)能耗高于惰行操控模式23%；初步估算采用巡航操控模式遠(yuǎn)期每年案例工程將增加電費(fèi)約2000 萬(wàn)元。因此，在地鐵采用無(wú)再生功能的車(chē)輛時(shí)，從節(jié)能減排、節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)的角度出發(fā)，采用惰行操控模式控制列車(chē)運(yùn)行具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

（2）當(dāng)?shù)罔F采用有再生功能的車(chē)輛時(shí)，從案例工程的牽引供電系統(tǒng)仿真結(jié)果看，采用惰行模式，在各運(yùn)營(yíng)年度均有一定的節(jié)能效果。對(duì)各種列車(chē)追蹤間隔下變電所饋出功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，惰行模式在列車(chē)密度較小時(shí)，其節(jié)能效果更明顯。結(jié)合各年度列車(chē)開(kāi)行計(jì)劃下的模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，運(yùn)營(yíng)期列車(chē)若采用惰行模式操控運(yùn)行，相對(duì)巡航操控模式，每年電能節(jié)省約450～500 萬(wàn)度；按照每度電0.7 元估算，采用惰行模式年節(jié)約電費(fèi)約315～350萬(wàn)元；按照30 年統(tǒng)計(jì)，約節(jié)約電能1.38 億度，按照目前電價(jià)估算，30 年約節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本0.97 億元。

因此，在地鐵采用有再生功能的車(chē)輛時(shí)，從節(jié)約運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的角度考慮，建議列車(chē)采用惰行模式運(yùn)行。

[1] GB50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] TB/T1407-1998 列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程[S].