張棟梁

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵建設(shè)也在加速進(jìn)行。對于一些小城市或者大城市的偏遠(yuǎn)郊區(qū)，考慮到地鐵的經(jīng)濟(jì)性，開始廣泛應(yīng)用C型地鐵。同時(shí)，隨著運(yùn)營里程和運(yùn)營班次的不斷增加，整個(gè)運(yùn)營能耗也在急劇上升。因此，制定合理經(jīng)濟(jì)的運(yùn)營策略，得到準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)尤為重要。研究表明，列車動(dòng)力系統(tǒng)的能耗約占軌道交通運(yùn)營總能耗的50%[1-2]，由于試驗(yàn)較難組織，目前能耗的研究以仿真為主[3-4]。通過對上海某C型地鐵線路能耗試驗(yàn)的傳感器布置，使用適當(dāng)?shù)耐獠繙y試儀器記錄了列車在空載AW0、滿座AW1、常載AW2和超載AW3工況下牽引系統(tǒng)的輸入電壓與電流、制動(dòng)電阻回路電流、輔助系統(tǒng)輸入電流等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)列車在不同工況下的整車能耗、牽引能耗、再生制動(dòng)回饋能量、制動(dòng)電阻能耗以及輔助能耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，為地鐵開通后的節(jié)能運(yùn)營提供數(shù)據(jù)支持和參考。

1 試驗(yàn)背景及條件

試驗(yàn)對象為6節(jié)編組，其中4節(jié)動(dòng)車、2節(jié)拖車。列車采用DC1 500V的供電電壓制式。為了得到列車在空載AW0、滿座AW1、常載AW2、超載AW3工況下對比分析數(shù)據(jù)，試驗(yàn)條件需保持一致。本試驗(yàn)的實(shí)際條件為：1）被試驗(yàn)的車輛為同一輛測試列車，除測試人員外無其他乘客；2）模擬運(yùn)營狀態(tài)，正線ATO運(yùn)行，運(yùn)營區(qū)間往返一次；3）模擬每個(gè)站臺正常停站，停站開門時(shí)間約為5-10秒。

2 能耗采集及實(shí)現(xiàn)

由于模擬列車實(shí)時(shí)的運(yùn)營狀態(tài)，能耗的采集必須具有即時(shí)性和持續(xù)性。因此本試驗(yàn)的能耗采集具有以下特點(diǎn)：1）自啟動(dòng)采集，列車速度作為采集觸發(fā)信號，試驗(yàn)前，系統(tǒng)中設(shè)定速度閾值，通過控制程序啟動(dòng)和關(guān)閉數(shù)據(jù)采集；2）變頻率采樣，列車運(yùn)營過程中采樣頻率分布范圍較廣，根據(jù)實(shí)際車輛狀態(tài)，需采用對應(yīng)的采樣頻率，利用FPGA技術(shù)設(shè)置采樣程序，根據(jù)制動(dòng)狀態(tài)可切換低采樣頻率和高采樣頻率。

本試驗(yàn)的能耗采集系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、信號調(diào)節(jié)模塊、數(shù)據(jù)采集和存儲模塊以及自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集軟件。采集流程如圖1所示

圖1 能耗采集系統(tǒng)流程示意圖

其中，傳感器模塊輸出速度參數(shù)以實(shí)現(xiàn)與設(shè)定閾值的比對，由于地鐵電氣系統(tǒng)中的電流電壓信號大部分處于102或103的數(shù)量級范圍，考慮到數(shù)據(jù)可靠性，本試驗(yàn)均采用高精度電壓電流傳感器。同時(shí)，采用非接觸式雷達(dá)速度傳感器匹配速度信號。信號調(diào)節(jié)模塊由電源、采樣電阻網(wǎng)絡(luò)和信號濾波與放大電路三部分組成，共同完成信號的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集程序控制采集開關(guān)及采集頻率，要求能夠承受列車運(yùn)營時(shí)的復(fù)雜條件，抗震抗擊。采樣后的數(shù)據(jù)存于存儲模塊進(jìn)行后期處理分析，要求能夠進(jìn)行長時(shí)間持續(xù)采集存儲。

3 傳感器安裝與布置

整車能耗的測量為牽引能耗和輔助能耗兩部分。由線網(wǎng)電壓、牽引電流、制動(dòng)電阻電流和輔助電流四個(gè)部分組成。電路如圖2～圖5所示。

圖2 線網(wǎng)電壓測量點(diǎn)

圖3 牽引輸入電流測量點(diǎn)

圖4 制動(dòng)電阻電流測量點(diǎn)

圖5 輔助逆變器電流測量點(diǎn)

其中，線網(wǎng)電壓測量牽引逆變器的輸入電壓以及輔助逆變器的輸入電壓；牽引電流測量牽引逆變器輸入電流，用于列車牽引能耗的計(jì)算。該電流測點(diǎn)共分為兩路；制動(dòng)電阻電流測量制動(dòng)工況下流經(jīng)制動(dòng)電阻的電流結(jié)合電壓可得到制動(dòng)電阻能耗；輔助電流測量輔助逆變器輸入電流，用于計(jì)算列車的輔助能耗。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

根據(jù)測試系統(tǒng)采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到各部分的能耗數(shù)據(jù)，具體計(jì)算公式如式（1）～式（6）所示。

（1）吸收能量EA

列車處于牽引工況時(shí)，牽引電路從線網(wǎng)吸收能量：

（2）再生能量ERe

當(dāng)主逆直流側(cè)電流小于零，則列車處于電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)處于發(fā)電機(jī)工況的牽引電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，并通過逆變器返回至直流側(cè)。

（3）回饋能量ER(Recovered Energy)

列車處于制動(dòng)工況且回饋條件滿足時(shí)，牽引電路向接觸網(wǎng)回饋能量。

（4）牽引能耗EC(Energy Consumption)

列車吸收能量與回饋能量的數(shù)值差為列車的牽引能耗EC：

（5）制動(dòng)電阻能耗ERB(Rheostatic Brake Energy Consumption)

列車處于電阻制動(dòng)工況時(shí)，消耗在制動(dòng)電阻上的電能為制動(dòng)電阻能耗ERB：

（6）能量回饋率RF(Energy Recovery Factor)列車處于再生制動(dòng)工況時(shí)，再生能量被線網(wǎng)有效利用能量回饋率RF：

基于能耗計(jì)算公式，將試驗(yàn)各工況的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，計(jì)算得到的空載AW0、滿座AW1、常載AW2、超載AW3工況下的單節(jié)車動(dòng)車能耗數(shù)據(jù)如表1所示、動(dòng)車單元（2節(jié)動(dòng)車+1節(jié)拖車）能耗數(shù)據(jù)如表2所示。地鐵實(shí)際運(yùn)營站點(diǎn)數(shù)較多，因此全線試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)量較大，為了便于對比分析，本文僅截取了五站四區(qū)間的測試數(shù)據(jù)。

表1 各載荷工況下單節(jié)動(dòng)車能耗數(shù)據(jù)（kWh）

表2 各載荷工況下動(dòng)車單元輔助能耗數(shù)據(jù) （kWh）

為實(shí)現(xiàn)不同工況之間的能耗數(shù)據(jù)比較與分析，將A站至E站方向的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和匯總，如表3所示。根據(jù)站點(diǎn)間距離與不同載荷工況下列車的總質(zhì)量，計(jì)算列車整車能耗、每公里牽引系統(tǒng)能耗以及每噸公里牽引能耗等，結(jié)果如表4所示。

表3 各載荷下整車能耗參數(shù)匯總 （kWh）

表4 各載荷下牽引能耗數(shù)據(jù)對比

在AW3試驗(yàn)時(shí)，由于經(jīng)過了部分涉水路段，試驗(yàn)過程中采用了數(shù)次手動(dòng)制動(dòng)，因此制動(dòng)電阻能耗較高，相應(yīng)的再生能量較低。

綜合表1～表3中的數(shù)據(jù)分析可得，隨著載荷的增加，列車牽引能耗不斷上升，同時(shí)對應(yīng)的制動(dòng)能耗也隨著上升，其與牽引能耗的比值也逐級增加，可見載荷越大，能量的利用率越低。同時(shí)再生能量與牽引能耗的比值接近29%，可見再生系統(tǒng)功能保持了良好的穩(wěn)定性，對于列車節(jié)能起到了輔助作用。

同時(shí)，由表4的數(shù)據(jù)可知，雖然隨著載荷的不斷增加各系統(tǒng)的能耗均不斷上升，但每公里牽引能耗及每噸公里牽引能耗則未呈現(xiàn)線性增加，而表現(xiàn)為上升后下降的趨勢。因此，地鐵不同運(yùn)營載荷工況下，從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，可根據(jù)能耗數(shù)據(jù)調(diào)整運(yùn)營策略。

5 結(jié)語

結(jié)合上海某地鐵的能耗測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了不同載荷工況下C型地鐵動(dòng)力系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)及變化趨勢?；诖藬?shù)據(jù)，可在線路運(yùn)營后結(jié)合實(shí)際車載記錄儀的相關(guān)數(shù)據(jù)與運(yùn)營統(tǒng)計(jì)后的客流變化趨勢，可通過優(yōu)化列車排班及運(yùn)行速度，從而達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。