基于線路限速的高速列車運行能耗分析

王 振 畢海權 李 明 陽光武

基于線路限速的高速列車運行能耗分析

王 振1畢海權1李 明2陽光武3

（1.西南交通大學機械工程學院 成都 610031；2.中車唐山機車車輛有限公司 唐山 064000；3.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 成都 610031）

高速列車在不同線路限速運行時會產生不同的運行時間和能耗。通過分析高速列車能量流程和轉化，給出列車運行分項能耗構成和計算方法，對250km/h和350km/h速度等級高速列車在不同線路限速時的運行分項能耗進行計算和分析，結果表明：站間距越長，線路限速越高，速度等級越高的列車節時優勢越明顯。250km/h線路限速時，高速列車運行阻力能耗占總能耗的60%以上；對限速線路，合理的高速列車速度等級選擇可降低列車線路運行能耗。

高速列車；能量流程；運行能耗；線路限速

0 引言

隨著高速鐵路運營里程的增加和運行目標速度的不斷提高，列車運行能耗問題凸顯。文獻[1]對直線電機車輛的能量流程和能耗進行了分析，給出了直線電機車輛的運行節能措施。文獻[2-4]對高速列車的運行能耗進行了分析，認為列車在運行過程中獲得的能量主要用于克服運行阻力、維持列車所需動能、增加運行過程中的勢能。除上述損耗外，還存在為保證客室環境舒適度和照明、維持牽引傳動系統設備正常運行等的輔助能耗和牽引傳動系統設備本身損耗[5]。

以上文獻雖分析了高速列車運行能耗構成，但未給出分項能耗和總能耗的關系，以及各分項能耗的計算方法和占比情況。

目前基于運動做功的能耗測算方法都以列車運動方程為計算基礎，外加相應的牽引策略，以實現列車在具體線路的牽引運行計算。Milroy，Asnis，Howlett等人最早提出了被命名為“Mechanical energy model”的機械能模型，其中較為詳盡地給出了列車的運動方程[6-8]，在基于一定的假設和約束條件下，該模型主要被用來證明和計算最優運行方案。

本文首先通過分析高速列車能量流程和轉化，并在列車運動方程的基礎上，給出高速列車分項能耗計算方法。然后通過牽引運行計算，對250km/h和350km/h速度等級高速列車在不同線路限速條件下的運行分項能耗進行計算，量化分析不同線路限速時高速列車的運行節時和能耗情況，為高速列車的節能運行提供參考。

1 高速列車運行能耗構成

1.1 高速列車能量傳遞及轉化

高速列車能量傳遞及轉化示意如圖1所示，從受電弓到輪對為列車牽引時的能量傳遞過程，從輪對到受電弓為列車再生制動時向電網的饋電過程。在能量傳遞過程中，變壓器和變流器存在能量損失，主要涉及變壓、變流效率問題，最終損耗以熱能形式散失到周圍環境中。經過牽引電機和齒輪變速箱的能耗，主要為電機內部電損和機械傳動系統的摩擦阻力損耗，最終也以熱能形式散失到周圍環境。指向輔助系統的箭頭表示運行過程中流向列車輔助設備的能量。

圖1 高速列車能量傳遞示意圖

經過輪軌粘著作用輸出的能量，一部分因克服輪軌摩擦而消耗，另一部分轉化為列車的有效動能。該部分有效動能最終轉化為運行過程中的氣動阻力能耗、制動過程中機械結構間的摩擦阻力能耗、列車在線路的勢能和再生制動過程能量，而再生制動過程能量中，部分能量因牽引傳動系統設備效率問題而損耗，該部分能量稱為電制動傳遞損耗。

綜合以上分析，將高速列車運行能耗分為牽引傳動效率損耗、運行阻力能耗、輔助能耗和制動過程能耗，其中制動過程能耗又分為摩擦制動能耗、電制動傳遞損耗和再生能量三部分。

1.2 分項能耗計算方法

建立式（1）所示的列車運動方程[8]：

式中：為列車總質量，t；為列車回轉質量系數，一般取0.06；F()為列車提供牽引力，kN；()為列車運行附加阻力，kN；()為列車在線路處的運行速度，m/s。

根據牽引運行計算原理，建立運行阻力能耗、牽引傳動效率損耗等的計算方法。段線路中的牽引能耗、輪周制動能耗、運行阻力能耗、再生能量等可按式（2）計算。根據對應的牽引傳動系統設備效率可計算牽引和再生制動過程中的牽引傳動效率損耗和電制動傳遞損耗。

式中：Q()為段線路對應受力條件下的能耗，kWh；F()為列車在位置處的相應受力，如輪周牽引力、輪周制動力、運行阻力等，kN；()為列車在位置處的運行速度，m/s；為段線路中的運行時間。

列車在整條線路的分項能耗可按式（3）計算。

式中：為整條線路的對應能耗，kWh。

2 計算參數

2.1 列車特性參數

為對比不同速度等級車型因質量、起動加速度等的不同造成列車動力特性差異時列車在不同線路限速的運行能耗情況，本文給出時速250km/h和350km/h等級高速列車質量及動力參數，對這兩種車型下的運行能耗進行對比分析，兩種速度等級列車特性參數見表1。250km/h速度等級高速列車定員人數較大，且在0～200km/h平均加速度小于350km/h速度等級高速列車。

表1 高速列車特性參數

2.2 線路及限速參數

表2 線路參數

給出高速鐵路運行線路參數及運行策略，如表2所示。列車從起始站運行至終點站，中間不停車，采用最大牽引/制動能力的最快速策略。為對比線路限速不同時的線路運行時間和能耗結果，線路限速取表2所示限速參數。

3 計算結果及分析

3.1 列車牽引/制動特性

根據表1中的列車特性參數，計算列車牽引/制動特性如圖2所示。圖2（b）中，從上往下依次為最大常用制動力、再生制動力和運行基本阻力。在0～200km/h平均加速性能、常用制動力和再生制動力方面，350km/h速度等級高速列車均大于時速250km/h速度等級高速列車。在0～250km/h速度區間，兩車型運行基本阻力相差不大。

圖2 高速列車牽引/制動特性

3.2 線路運行時間及能耗

3.2.1 線路運行時間

兩種速度等級高速列車在L1線250km/h限速運行時的里程-運行速度-運行時間曲線如圖3所示。兩列車的線路運行總旅行時間分別為3689.3s和3729.7s，時間差較小。由于時速350km/h高速列車平均加速度和制動力較大，使得列車在L1線運行時達到限速位置提前，制動進站位置推后，造成高速運行區間里程增加，氣動阻力能耗增大。

圖3 線路里程-運行速度-運行時間曲線

時速350km/h速度等級高速列車在L1線不同限速時的運行時間如圖4所示。由圖4可知，線路限速越高，線路運行總時間越小，當線路限速由250km/h增加至350km/h時，線路運行總時間將減小15min。

圖4 L1線運行總時間和平均速度

圖5為L2線運行時，不同直達方案下線路限速由250km/h增加至350km/h時的列車節時情況，列車由S1站直達S2站、由S1站直達S5站兩運行方案的線路節約時間相差119.57min?？梢姡€路間距越長，線路限速越高，速度等級越高的高速列車運行節時優勢越明顯。

圖5 L2線各直達方案下的運行時間

3.2.2 線路運行能耗

兩種速度等級高速列車在L1線250km/h限速運行時的分項能耗結果見表3?？芍?，線路運行能耗主要為運行阻力能耗，其次分別為輔助能耗和牽引電氣損耗，制動過程能耗最小。350km/h速度等級高速列車各分項能耗均增大。經過分析，因350km/h速度等級高速列車質量較大，使得最高限速時的動能較大，而引起制動總能耗較大。350km/h高速列車再生制動能力較強，而使得再生能量占比增大，摩擦制動能耗減小。與此同時，列車質量較大還會引起運行過程中的機械阻力和附加阻力增加，從而引起運行阻力能耗的增大。

表3 分項能耗計算結果

圖6 不同線路限速時的運行能耗結果

時速350km/h速度等級高速列車在L1線不同線路限速運行時的能耗結果如圖6所示。由圖6可知，隨著線路限速的增加，運行阻力能耗、牽引傳動效率損耗、再生能量、摩擦制動能耗、電制動電氣損耗均增加，而輔助能耗減小。其中運行阻力能耗增加較大，主要原因是高速列車線路限速從250km/h增加至350km/h，最大限速運行時的氣動阻力將增加0～96%，氣動阻力能耗增加量較大。

4 結論

本文以高速列車和高速鐵路線路參數為研究對象，分析了高速列車的運行分項能耗構成，并建立了運行分項能耗計算方法，對兩種速度等級高速列車在不同線路限速條件下的運行時間和能耗情況進行了計算分析，結果表明：

（1）站間距越長，線路限速越高，速度等級越高的高速列車線路運行節時優勢越明顯。

（2）高速列車運行能耗構成中，主要為運行阻力能耗，250km/h線路限速運行時，運行阻力能耗占比在60%以上。

（3）相同線路運行條件下，速度等級較高的高速列車運行能耗大于速度等級相對較低的高速列車。即列車在線路運行時，應充分考慮線路允許條件和經濟性，選擇速度等級適宜的高速列車，使高速列車發揮自身動力性能優勢的同時降低運行能耗。

[1] 李鯤鵬,張振生.直線電機軌道交通系統能耗分析[J].都市快軌交通,2008,21(1):31-33.

[2] 張家棟,陳海雷,朱彥恒,等.關于建立機車經濟操縱評判標準的研究[J].中國鐵路,1997(8):32-33.

[3] González–Franco I, García–álvarez A. Can High–Speed Trains Run Faster and Reduce Energy Consumption?[J]. Procedia - Social and Behavioral Sciences, 2012,48:827-837.

[4] 馬衛武,李立清.動車組能耗計量與測評[M].長沙:中南大學出版社,2015.

[5] UIC(Union Internationale des Chemins de fer). Evaluation of Energy Efficiency Technologies for Rolling Stock and Train Operation of Railways (EVENT) [R]. Berlin, 2003.

[6] Milroy, Ian P. Aspects of automatic train control[J]. ? ian peter milroy, 1980.

[7] Asnis A, Dmitruk A, Osmolovski N. Using the maximum principle to solve the problem of energy-optimal of the motion of the trains[J]. Zh. Vychisl. Mat. Mat. Fiz. 1985,25(11):1644-1656.

[8] Howlett P. Optimal strategies for the control of a train[J]. Automatica, 1996,32(4):519-532.

Operating Energy Consumption Analysis of High-Speed Train Based on Line Speed Limit

Wang Zhen1Bi Haiquan1Li Ming2Yang Guangwu3

( 1.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031;2.CRRC TANGSHAN Co., Ltd, Tangshan, 064000;3.Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

High-speed train will produce difference running time and energy consumption when running at different line speed limit. By analyzing the energy flow and transformation, this paper presents the composition and calculation method of energy consumption of high-speed train. Based on the method, the energy consumption of 250km/h and 350km/h speed class high-speed train in different line speed limits is calculated and analyzed. The results show that longer distance between station and higher speed limit in rail line will cause obvious time advantage with higher speed class. The energy consumption of running resistance of high-speed train accounts for more than 60% of the total energy consumption in the 250km/h line speed limit. Reasonable speed class selection of high-speed train can reduce the operating energy consumption for a speed limit rail line.

high-speed train; energy flow; operating energy consumption; line speed limit

1671-6612（2019）06-592-05

U270.2/U2-9

A

國家重點研發計劃（2016YFB1200504-D-01）

王 振（1993.4-），男，在讀碩士研究生，E-mail：Sean_Wwz@163.com

畢海權（1974.12-），男，博士，教授，E-mail：bhquan@163.com

2019-03-12