C型地鐵動力系統能耗測試與分析

張棟梁

上海軌道交通設備發展有限公司

0 引言

隨著城市建設的快速發展，地鐵建設也在加速進行。對于一些小城市或者大城市的偏遠郊區，考慮到地鐵的經濟性，開始廣泛應用C型地鐵。同時，隨著運營里程和運營班次的不斷增加，整個運營能耗也在急劇上升。因此，制定合理經濟的運營策略，得到準確的測試數據尤為重要。研究表明，列車動力系統的能耗約占軌道交通運營總能耗的50%[1-2]，由于試驗較難組織，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的傳感器布置，使用適當的外部測試儀器記錄了列車在空載AW0、滿座AW1、常載AW2和超載AW3工況下牽引系統的輸入電壓與電流、制動電阻回路電流、輔助系統輸入電流等參數，以實現列車在不同工況下的整車能耗、牽引能耗、再生制動回饋能量、制動電阻能耗以及輔助能耗等數據進行采集和分析，為地鐵開通后的節能運營提供數據支持和參考。

1 試驗背景及條件

試驗對象為6節編組，其中4節動車、2節拖車。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工況下對比分析數據，試驗條件需保持一致。本試驗的實際條件為：1）被試驗的車輛為同一輛測試列車，除測試人員外無其他乘客；2）模擬運營狀態，正線ATO運行，運營區間往返一次；3）模擬每個站臺正常停站，停站開門時間約為5-10秒。

2 能耗采集及實現

由于模擬列車實時的運營狀態，能耗的采集必須具有即時性和持續性。因此本試驗的能耗采集具有以下特點：1）自啟動采集，列車速度作為采集觸發信號，試驗前，系統中設定速度閾值，通過控制程序啟動和關閉數據采集；2）變頻率采樣，列車運營過程中采樣頻率分布范圍較廣，根據實際車輛狀態，需采用對應的采樣頻率，利用FPGA技術設置采樣程序，根據制動狀態可切換低采樣頻率和高采樣頻率。

本試驗的能耗采集系統主要包括傳感器模塊、信號調節模塊、數據采集和存儲模塊以及自動化數據采集軟件。采集流程如圖1所示

圖1 能耗采集系統流程示意圖

其中，傳感器模塊輸出速度參數以實現與設定閾值的比對，由于地鐵電氣系統中的電流電壓信號大部分處于102或103的數量級范圍，考慮到數據可靠性，本試驗均采用高精度電壓電流傳感器。同時，采用非接觸式雷達速度傳感器匹配速度信號。信號調節模塊由電源、采樣電阻網絡和信號濾波與放大電路三部分組成，共同完成信號的調節轉換。數據采集程序控制采集開關及采集頻率，要求能夠承受列車運營時的復雜條件，抗震抗擊。采樣后的數據存于存儲模塊進行后期處理分析，要求能夠進行長時間持續采集存儲。

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。由線網電壓、牽引電流、制動電阻電流和輔助電流四個部分組成。電路如圖2～圖5所示。

圖2 線網電壓測量點

圖3 牽引輸入電流測量點

圖4 制動電阻電流測量點

圖5 輔助逆變器電流測量點

其中，線網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算。該電流測點共分為兩路；制動電阻電流測量制動工況下流經制動電阻的電流結合電壓可得到制動電阻能耗；輔助電流測量輔助逆變器輸入電流，用于計算列車的輔助能耗。

4 試驗數據計算與分析

根據測試系統采集的各項數據，可計算得到各部分的能耗數據，具體計算公式如式（1）～式（6）所示。

（1）吸收能量EA

列車處于牽引工況時，牽引電路從線網吸收能量：

（2）再生能量ERe

當主逆直流側電流小于零，則列車處于電制動狀態，此時處于發電機工況的牽引電機將機械能轉為電能，并通過逆變器返回至直流側。

（3）回饋能量ER(Recovered Energy)

列車處于制動工況且回饋條件滿足時，牽引電路向接觸網回饋能量。

（4）牽引能耗EC(Energy Consumption)

列車吸收能量與回饋能量的數值差為列車的牽引能耗EC：

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

列車處于電阻制動工況時，消耗在制動電阻上的電能為制動電阻能耗ERB：

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

基于能耗計算公式，將試驗各工況的采集數據進行匯總分析，計算得到的空載AW0、滿座AW1、常載AW2、超載AW3工況下的單節車動車能耗數據如表1所示、動車單元（2節動車+1節拖車）能耗數據如表2所示。地鐵實際運營站點數較多，因此全線試驗采集的數據量較大，為了便于對比分析，本文僅截取了五站四區間的測試數據。

表1 各載荷工況下單節動車能耗數據（kWh）

表2 各載荷工況下動車單元輔助能耗數據 （kWh）

為實現不同工況之間的能耗數據比較與分析，將A站至E站方向的能耗數據進行數據整合和匯總，如表3所示。根據站點間距離與不同載荷工況下列車的總質量，計算列車整車能耗、每公里牽引系統能耗以及每噸公里牽引能耗等，結果如表4所示。

表3 各載荷下整車能耗參數匯總 （kWh）

表4 各載荷下牽引能耗數據對比

在AW3試驗時，由于經過了部分涉水路段，試驗過程中采用了數次手動制動，因此制動電阻能耗較高，相應的再生能量較低。

綜合表1～表3中的數據分析可得，隨著載荷的增加，列車牽引能耗不斷上升，同時對應的制動能耗也隨著上升，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。同時再生能量與牽引能耗的比值接近29%，可見再生系統功能保持了良好的穩定性，對于列車節能起到了輔助作用。

同時，由表4的數據可知，雖然隨著載荷的不斷增加各系統的能耗均不斷上升，但每公里牽引能耗及每噸公里牽引能耗則未呈現線性增加，而表現為上升后下降的趨勢。因此，地鐵不同運營載荷工況下，從經濟效益方面考慮，可根據能耗數據調整運營策略。

5 結語

結合上海某地鐵的能耗測試的試驗數據，給出了不同載荷工況下C型地鐵動力系統的能耗數據及變化趨勢。基于此數據，可在線路運營后結合實際車載記錄儀的相關數據與運營統計后的客流變化趨勢，可通過優化列車排班及運行速度，從而達到節能的目標。