儲(chǔ)能式供電軌道交通運(yùn)用列車配比探討

文：黃裕鋒，林鴻全，康華玲，林躍明丨比亞迪建設(shè)工程有限公司深圳分公司

近年來，新能源技術(shù)飛速發(fā)展，蓄電池性能水平不斷提高，采用儲(chǔ)能式供電方式的軌道交通系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)，在低運(yùn)能軌道交通制式中已投入使用。傳統(tǒng)軌道交通運(yùn)用列車數(shù)計(jì)算方式對(duì)儲(chǔ)能式供電的軌道交通制式并不完全適用，本文通過研究分析電池續(xù)航能力與運(yùn)用車輪換的關(guān)系，提出了一種適用于儲(chǔ)能式供電低運(yùn)能軌道交通制式的運(yùn)用列車計(jì)算模型，并通過運(yùn)行圖仿真系統(tǒng)驗(yàn)證了該模型的有效性。

傳統(tǒng)軌道交通主要的供電方式可分為車載儲(chǔ)能供電、第三軌供電、接觸網(wǎng)供電。接觸網(wǎng)供電技術(shù)運(yùn)用時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)相對(duì)成熟，但需沿線路鋪設(shè)接觸網(wǎng)，影響城市景觀，建設(shè)和維護(hù)成本高。第三軌供電一般設(shè)置于鐵軌之間或鐵軌的外側(cè)，其維護(hù)成本較接觸網(wǎng)供電低，但安全性較差，噪聲大。車載儲(chǔ)能供電方式相較于其他供電方式有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：電網(wǎng)友好度高，可充分利用夜間充電，減少白天電網(wǎng)壓力；充電系統(tǒng)彈性足，極端天氣、自然災(zāi)害等因素影響較小；可因地制宜通過搭建光伏、風(fēng)能綠色發(fā)電等方式進(jìn)行供電，減少碳排放；正線乘客疏散或維護(hù)作業(yè)時(shí)，安全性高。

但采用車載儲(chǔ)能供電，列車受限于電池續(xù)航里程問題，無法實(shí)現(xiàn)全天在線運(yùn)營(yíng)，需運(yùn)營(yíng)期間下線充電。電池續(xù)航能力、充電時(shí)長(zhǎng)和用車數(shù)量之間相互影響，例如電池續(xù)航越久，電池充電時(shí)間越長(zhǎng)，用車數(shù)量可能需要增加。因此需研究?jī)?chǔ)能式供電軌道交通制式續(xù)航能力與用車數(shù)量關(guān)系，通過合理配置資源在滿足運(yùn)營(yíng)需求下優(yōu)化運(yùn)用車配置。

一、傳統(tǒng)軌道交通運(yùn)用列車計(jì)算公式

傳統(tǒng)軌道交通運(yùn)用列車上線后可實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行，用車數(shù)量只需滿足高峰時(shí)段需求。計(jì)算公式為（1）：

式中：M運(yùn)用為運(yùn)用列車數(shù)（輛）；L為線路里程（公里）；V旅行為線路平均旅行速度（公里/小時(shí)）；T折返為總折返時(shí)間（分鐘，包括始發(fā)站和終點(diǎn)站折返時(shí)間）；T間隔為高峰時(shí)段列車發(fā)車間隔（分鐘），n為列車編組輛數(shù)（輛）。

通過分析公式可知，傳統(tǒng)列車運(yùn)用車數(shù)計(jì)算方式計(jì)算結(jié)果與線路長(zhǎng)度、旅行速度、高峰時(shí)段發(fā)車間隔及折返時(shí)間有關(guān)，未考慮列車充電時(shí)間和續(xù)航能力的影響，不完全適用蓄電池供電方式的列車運(yùn)用車數(shù)計(jì)算，需重新分析計(jì)算。

二、影響因素分析

儲(chǔ)能式供電軌道交通運(yùn)用列車數(shù)計(jì)算影響因素分析：

一是電池續(xù)航能力及充電時(shí)間。根據(jù)國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)線路經(jīng)驗(yàn)，低運(yùn)量列車滿電情況下續(xù)航里程約為150公里，續(xù)航里程主要受溫度影響，列車在運(yùn)營(yíng)期間在電量不足情況下需到充電列位充電后方可重新投入服務(wù)。列車充滿電所需時(shí)間為1小時(shí)，還需增加列車回庫(kù)時(shí)間及充電作業(yè)時(shí)間，大約1小時(shí)30分鐘。

二是線路長(zhǎng)度及線型布置。在線路過長(zhǎng)情況下，為了避免列車剩余電量不足回庫(kù)，需在電量存有一定余量時(shí)回庫(kù)充電，實(shí)際可用續(xù)航里程減少。如車輛段設(shè)置于線路中間，列車需空跑一定里程到達(dá)始發(fā)站，同樣也會(huì)減少實(shí)際可用續(xù)航里程。

三是充電列位個(gè)數(shù)及布置。軌道交通運(yùn)營(yíng)存在早晚高峰，需保證充電列位可以滿足所有回庫(kù)列車充電，如充電列位過少，列車排隊(duì)充電，部分列車無法及時(shí)充電導(dǎo)致列車運(yùn)用車數(shù)增加。在線路較長(zhǎng)區(qū)段，在正線設(shè)置充電列位，可減少部分列車回庫(kù)充電的空駛里程及運(yùn)行時(shí)間，減少回庫(kù)充電時(shí)間。

在以上影響因素中，線路長(zhǎng)度及線型布置可通過在正線多設(shè)置充電列位解決，而列車電池續(xù)航能力及充電時(shí)間是影響儲(chǔ)能式供電軌道交通列車運(yùn)用車配屬的最大影響因素，雖然電池性能水平不斷提高，電池的容量相應(yīng)提高，但也未能滿足列車運(yùn)營(yíng)期間無需下線充電而統(tǒng)一在夜間進(jìn)行的需求，故本文重點(diǎn)對(duì)影響因素中的線路長(zhǎng)度及線型布置進(jìn)行分析。

三、儲(chǔ)能式供電軌道交通運(yùn)用列車計(jì)算

（一）基本參數(shù)分析

儲(chǔ)能式供電軌道交通列車滿電續(xù)航里程為150公里，列車電量由10%充至100%約1小時(shí)10分鐘，實(shí)際情況下需考慮列車回庫(kù)時(shí)間及列車充電準(zhǔn)備工作時(shí)間，列車回庫(kù)距離約1公里左右，平均回庫(kù)速度約為10公里/小時(shí)，耗時(shí)約6分鐘。充電準(zhǔn)備工作時(shí)間約1～2分鐘。為了保證冗余，在計(jì)算T充電時(shí)，充電時(shí)間（含列車出入庫(kù)及充電準(zhǔn)備時(shí)間）設(shè)置為1小時(shí)30分鐘。

通過編制運(yùn)行圖經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行圖所需列車數(shù)與列車電池續(xù)航時(shí)間和充電時(shí)間比例有關(guān)系，此處需將列車滿電續(xù)航里程轉(zhuǎn)換為續(xù)航時(shí)間，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能式供電軌道交通旅速為25公里/小時(shí)左右，續(xù)航時(shí)間通過轉(zhuǎn)換約為6小時(shí)。

傳統(tǒng)軌道交通計(jì)算運(yùn)用列車數(shù)基本采用工作日高峰最大斷面客流數(shù)據(jù)作為初始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)能匹配。

（二）考慮列車電池續(xù)航的運(yùn)用列車數(shù)計(jì)算模型

在傳統(tǒng)的軌道交通中，工作日的運(yùn)營(yíng)高峰期可分為早上2小時(shí)和晚上2小時(shí)，共4小時(shí)，即T早高峰=T晚高峰=2小時(shí)。編制運(yùn)行圖發(fā)現(xiàn)，列車?yán)m(xù)航里程最大制約點(diǎn)在列車晚高峰，一方面列車需滿足晚高峰前線上的平峰客流需求，列車電量能滿足晚高峰后下線，另一方面晚高峰列車上線后，電量可支撐到晚高峰下線列車充滿電后進(jìn)行輪換。而在平峰期間，列車可通過提前下線，保持列車電量始終處于充裕狀態(tài)，即平峰期間部分列車運(yùn)行1.5小時(shí)至2.5小時(shí)后，即可回庫(kù)充電，保證列車始終處于電量充足情況，確保高峰列車電量滿足運(yùn)營(yíng)需要。

在高峰列車下線時(shí)，應(yīng)盡量保證電量少的列車優(yōu)先下線充電，電量充裕列車盡量維持運(yùn)營(yíng)。也就是說，在高峰列車上線前的平峰列車在高峰結(jié)束優(yōu)先下線回車輛段充電，高峰上線列車需等待回段充滿電的列車上線后再進(jìn)行輪換。

式中：T周期為列車運(yùn)行線路一圈所用時(shí)間；T續(xù)航為列車?yán)m(xù)航時(shí)間；S續(xù)航為列車?yán)m(xù)航里程。

列車早晚高峰列車上下線時(shí)間：

式中：T高峰上線為列車從第一列早（晚）高峰列車到最后一列早（晚）高峰列車上線完畢所耗費(fèi)的時(shí)間。

若列車最小續(xù)航滿足：T續(xù)航、T充電需滿足以下條件，列車無需增配運(yùn)用車。

如，T續(xù)航≥T高峰+T高峰上線+T充電，則列車運(yùn)用車計(jì)算公式為：

如不滿足此條件，列車需增配運(yùn)用車數(shù)為：

此處假設(shè)一條線路長(zhǎng)度為15公里，旅行速度為25公里/小時(shí)，運(yùn)行周期為75分鐘，首站設(shè)置車輛段，列車充電時(shí)間1小時(shí)30分鐘，高峰發(fā)車間隔按5分鐘、平峰發(fā)車間隔按10分鐘，列車編組輛數(shù)為2輛，進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算T=5*30/25=6小時(shí)＞2+1.5+1.25小時(shí)

列車計(jì)算公式采用進(jìn)行計(jì)算列車所需運(yùn)用車為30輛（15列車）。通過現(xiàn)場(chǎng)鋪畫運(yùn)行圖，計(jì)算結(jié)果滿足要求，驗(yàn)證了此模型的可行性。