日本基于列車運行能耗模擬器的節能技術效果預測

1 引言

電氣化鐵路利用接觸網為列車提供運行所需的電能。在能源供應日趨緊張的今天，節能降耗成為鐵路相關技術發展的大趨勢。其中具有代表性的是再生制動技術，該技術可將列車制動時的動能轉化為電能，并將電能反向回饋給接觸網。此外，通過改變供電設備構造以減小供電回路電阻、通過提高車載設備效能以降低能耗等措施也是研究的重點。

相關節能技術種類繁多，而且每種技術的費用和效果均不相同，加之其實際節能效果會隨著節能設備使用場所及線路條件的不同而變化，因此研究如何利用有限的預算從諸多節能技術中篩選出效果最佳的方案，至關重要。

為此，日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）開發了一種可模擬和預測大多數種類列車運行能耗的列車運行能耗模擬器。本文將對該模擬器進行介紹，并以再生制動節能技術為例，利用該模擬器分析和預測其引入效果。

2 列車運行能耗模擬器構造及功能

列車運行能耗模擬器是一套模擬仿真設備，通過模擬直流電氣化鐵路列車的運行來計算其消耗的電能，其構造和功能如圖1所示。該模擬器包含運行管理單元、饋電回路計算單元、車輛計算單元、運行曲線計算單元4部分。運行管理單元負責按照設定的列車運行時刻表模擬列車發車，并調用和管理3個計算單元；運行曲線計算單元負責在模擬列車發車后，計算列車加速度及位置，生成列車運行曲線并根據牽引力的變化對其進行調整，以及決定列車的牽引、惰行、制動等運行狀態；車輛計算單元通過求解運動方程計算出列車的牽引力和制動力，并計算接觸網電流，其計算結果將輔助列車運行曲線的生成和調整，以及接觸網電壓的計算；饋電回路計算單元根據運行曲線計算單元得出的列車位置及車輛計算單元得出的接觸網電流，通過求解電路方程計算出接觸網電壓，并將電壓計算結果反饋給車輛計算單元，輔助其計算接觸網電流。在列車運行過程中，牽引力會隨著接觸網電壓的變化而變化，而接觸網電壓則會隨著列車位置、列車運行時刻表及運行曲線的變化而產生波動。由此可知，上述因素是相互影響、相互依賴的。

列車運行能耗模擬器具有評價列車運行能耗、優化列車運行曲線的功能，如圖2所示。列車運行曲線對于列車能耗計算有至關重要的影響。該模擬器可根據指定的區間運行時間制作接近列車實際運行方式的列車運行曲線，并對相關能耗進行評價，從而達到優化列車運行曲線的目的。具體操作方式是：首先制作出區間運行用時最短的標準列車運行曲線，然后通過依次插入適當的惰行距離以匹配指定的區間運行時間，最終得出更經濟、節能的列車運行曲線。

列車運行能耗分為2類，即用于列車牽引制動的主電路能耗，以及用于車內照明、空調等輔助設備的輔助電路能耗。其中，空調系統能耗隨著季節變化會有很大的波動，因此在計算時必須考慮季節變化的因素。輔助電路能耗隨室外溫度的變化趨勢如圖3所示。由圖可知，室外溫度低時開放暖氣、室外溫度高時使用空調制冷會導致輔助電路能耗增大。

列車運行能耗模擬器是經過多次測量試驗及驗證開發而成的。圖4中的列車運行能耗驗證數據就是經1年多測量所積累的經驗數據。由圖可知，除室外溫度變化外，還有其他因素導致列車運行能耗波動，盡管如此，模擬器的計算值仍分布在測量平均值附近，證明其模擬結果具有相當高的可靠性。

3 再生制動相關節能技術

再生制動技術節能的原理如圖5所示，列車再生制動產生的電能可通過接觸網靈活調劑給附近正處于牽引狀態、需要消耗電能的其他列車。但如果線路行車密度較低，列車之間距離較遠，或者由于線路存在連續小半徑曲線、連續下坡等情況導致列車需要連續制動，則再生制動產生的電能有可能無法被充分利用。在此種情況下，若是在直流電氣化區間，為防止接觸網電壓被抬升得過高，列車需要減少甚至停止使用再生制動，改用空氣制動來減速，這被稱為再生制動失效。如果能夠降低再生制動失效的發生頻率，則可實現進一步的節能。

為此，諸多的節能技術應運而生：在直流電氣化線路的變電所等供電設施內加裝用于儲存再生電能的儲能裝置及再生電能專用逆變器，以使車站環控、照明等設備能夠利用再生電能；此外，為將再生電能有效調劑給遠處的列車使用，可在列車上搭載再生電能集中控制設備，以協調列車間的供用電關系。

4 節能技術引入效果預測

列車運行能耗模擬器是以模擬、再現、研究上述再生制動失效現象為目的而開發的模擬系統，可預測節能技術的引入效果。下面將以儲能裝置和新型節能車輛引入效果預測作為案例進行說明。

4.1 儲能裝置節能效果

再生制動失效現象通常在空調負荷較低的春秋季發生，這意味著以抑制再生制動失效為目標的儲能裝置的節能效果在春秋季優于冬夏季。因此，在評估儲能裝置的節能效果時，需要考慮空調負荷的季節性變化。鐵道綜研首先利用列車運行能耗模擬器，針對安裝及未安裝儲能裝置的線路進行了3種不同空調負荷模式的模擬，并計算出各模式對應的1天能耗量，如圖6所示；然后，根據從氣象廳數據庫中獲得的室外溫度實測值，計算出各空調負荷模式在1年中的使用天數，如圖7所示；最后將各空調負荷模式的1天能耗量與使用天數相乘，即可計算出1年的能耗總量，如圖8所示。由圖可知，安裝儲能裝置線路的1年能耗量總體低于未安裝線路，儲能裝置的引入有助于線路節能。

4.2 新型節能車輛節能效果

下面將介紹搭載更節能牽引電機和逆變器的新型車輛節能效果預測案例。

在列車加速性能提升的條件下，其運行模式大致分為以下2種：一種是通過提高加速性能，縮短運行時間，即省時運行模式，如圖9a所示；另一種是起動時采用高加速度，并在滿足區間運行時間的前提下盡早停止加速，延長惰行時間，即節能運行模式，如圖9b所示。采取運行模式不同，則能耗也各異，因此在對列車能耗進行評估之前需要為其設定適當的運行模式。對于搭載更節能設備的新型車輛而言，評估其節能效果不僅需要設置其運行模式，還要考慮機器設備效率的提高，即應妥善評價節能效果是運行模式改變還是機器設備效率提高所帶來的。

為此，鐵道綜研利用列車運行能耗模擬器，將現有車輛正常行駛、新型車輛采用省時運行模式、新型車輛采用節能運行模式3種情況下的能耗進行對比，計算結果如圖10、圖11所示。由圖可知，新型車輛即使采用省時運行模式，能耗也較低；若采用節能運行模式，則能耗將進一步降低。