現代有軌電車西郊線車輛能耗分析

劉燕明 莘云峰 付海龍 王 平

（北京公交有軌電車有限公司西郊線分公司，北京 100080）

引言

近年來，我國城市軌道交通正處于大規(guī)模發(fā)展時期，現代有軌電車憑借載客量適中、安全舒適、快速便捷、節(jié)能降噪等特點逐漸成為一種新的出行方式[1]。西郊線是北京第一條現代有軌電車線路，獨立路權不受交通擁堵影響，信號優(yōu)先節(jié)約了乘客乘車時間等，體現了現代有軌電車的優(yōu)勢。在享受以上便利的同時，有軌電車公司更關注電車的能量消耗，因此，分析并研究現代有軌電車的能量消耗是非常必要的。

1 現代有軌電車的基本概況

1.1 線路基本條件

西郊線有軌電車車輛全長32.35m，全程共8.8km，設6座車站，列車額定供電750V，正線線路最大坡度56‰，正線最小曲線半徑60m，西郊線有軌電車站停少，站間距短，線路曲線多、半徑小，坡度大。

1.2 車輛能耗組成

有軌電車能耗分為列車牽引能耗、輔助能耗及其它能耗三個部分[2]。車輛通過接觸網取電，一部分經過牽引系統(tǒng)為車輛提供動力。另外一部分經過輔助系統(tǒng)提供車輛必需的DC24V和AC380V電源。西郊線全列車共四臺電機，每臺電機功率106kW，總共424kW，占整列車輛約80%的電力能耗。

1.3 基本原理

由于西郊線路坡道、彎道以及路口較多，車輛運行時需頻繁地牽引、制動控制車速，其能量消耗和反饋相當可觀。制動分為電制動、液壓制動和磁軌制動三種，車輛制動初始階段采用電制動，電制動包含電阻制動和再生制動。電制動時電機處于發(fā)電狀態(tài)，產生制動轉矩，轉速下降[3]。若該過程將動能轉化為電能反饋送入電網，可以給同一供電區(qū)段相鄰車輛使用，稱為再生制動。若這部分能量使網壓抬升到一定值（1000V）時，電網不能再吸收，此時控制系統(tǒng)會接通制動斬波電路，利用制動電阻將電能消耗，同時制動能量被浪費，稱為電阻制動。制動電阻基本情況見表1。

表1 西郊線制動電阻基本情況

2 數據采集

2.1 數據采集時間

西郊線平均發(fā)車間隔為6min，由于司機操作方式不同，所以運行、制動時間點、次數也不相同。每年的桃花節(jié)、紅葉節(jié)乘客數量要比平日成指數增加，因此，能量消耗數據的采集分別在客流高峰和低峰運行時進行（表2）。

2.2 信號采樣

西郊線有軌電車為5節(jié)編組，MA-RA-P-RB-MB，其中MA和MB為2個動車，RA和RB為2個懸浮車，P車為帶受電弓的拖車。全列車共4個牽引電機，牽引電機有獨立的牽引電路，每個控制單元都有相應數據信號采集接口，通過這些信號的采集，經過矢量控制算法，實現轉子磁通和電機扭矩的單獨控制，從而精準控制逆變器的閉合，最終精準控制電機運行。

圖1為列車牽引主電路，信號UC、I1、IR采集點如圖標注所示。信號采集點意義見表3。

表2 數據采集時間

表3 信號采集點意義

3 計算方法

3.1 概念

（1）牽引系統(tǒng)輸入能耗（E輸入）：列車在區(qū)間運行時牽引系統(tǒng)從電網取得的總電能，即

圖1 電路采集點

式中，t1和t2為運行時間；UC為輸入電壓；I1為輸入電流。

（2）再生制動饋入電網電能（E再生制動）：列車在區(qū)間運行時通過再生制動反饋進電網的電能，即

式中，t1和t2為運行時間；UC為輸出電壓；-I1為輸出電流。

（3）制動電阻能耗（E制動電阻）：制動斬波相開通時在制動電阻上消耗的能量。

式中，t1和t2為運行時間；IR為制動電阻電流；R為制動電阻。

（4）實際牽引電能（E實際牽引）：列車在區(qū)間運行時牽引系統(tǒng)實際消耗的電能，即

（5）再生制動饋入電網電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率（α），即

含義：牽引時，牽引系統(tǒng)吸收電網電能，將其轉化為列車動能；制動期間，把列車動能轉化為電能；公式（5）定量反映了能量轉移到電網的情況。

（6）制動電阻能耗占列車實際牽引電能的比率（ ），即

含義：從電網角度來說可以認為沒有被反饋回電網的能量全部被列車吸收；對于車輛而言，大部分用于牽引、制動的過程消耗，一小部分被制動電阻消耗。公式（6）反映了用于制動電阻的能量消耗與列車整個過程消耗的關系，定量體現了制動電阻的價值[4]。

4 能耗測試數據

車輛運行過程中，通過IDU以及車輛ERM數據計算得到表4 -表7。因為司機對車輛的操作差異，因此對高峰和低峰的車輛數據進行多次采樣，確保數據準確。其中香山到巴溝為上行線路，巴溝到香山為下行線路。

表4 高峰期間列車下行測量數據 （kW·h）

表5 高峰期間列車上行測量數據 （kW·h）

表6 低峰期間列車下行測量數據 （kW·h）

表7 低峰期間列車上行測量數據 （kW·h）

5 測量結果及其分析

將以上數據帶入公式（5）和公式（6），經計算得到數據對比如圖2所示。

圖2 數據對比圖

通過數據分析表明：

（1）通過對載客數量高峰、低峰期的能耗數據對比，載客量是影響車輛牽引能耗的重要因素[5]，高峰期牽引能耗明顯高于低峰期的牽引能耗。

（2）雖然載客量不同，但是制動電阻的實際工作次數較少，所以制動電阻能量消耗沒有發(fā)生明顯變化。

（3）通過對車輛運行數據統(tǒng)計，車輛上行香山至植物園站間，由于線路處于下坡路段，車速限制，車輛呈制動狀態(tài)，電機處于發(fā)電工作階段，相對其它站有所不同，此時回饋電網能量大于牽引消耗能量。

（4）綜合表4 -表7數據，列車“牽引系統(tǒng)輸入能量”在整個線路上下行過程中，制動有大約41.35%能量反饋回電網，在“列車實際牽引電能”中有大約0.3%被制動電阻消耗。列車約58.7%的輸入能量在其運行過程中用于列車牽引、制動等消耗，這與行駛線路、部件配合、牽引系統(tǒng)的工作效率有關。從能源損失的角度看，在合理安排行車的情況下，車輛起動和制動配合到位，反饋回電網的能源，可以被其他車輛吸收利用，反饋回電網上的能量不會被浪費，可以提高電能利用率，減少電能消耗[6]。

6 結論

目前西郊線有軌電車牽引部分消耗了大部分電能用于牽引、惰性、制動各階段的系統(tǒng)消耗。車輛反饋制動效果明顯，如果列車反饋制動時，同一供電區(qū)間內恰好有其他列車處于牽引狀態(tài)，那么列車反饋的能量可以被吸收利用，反饋制動也能起到很好的效果；制動電阻消耗的能量很少，沒有造成過多能源浪費，雖然目前制動電阻的作用不大，但是它并不能被取代。