基于波哥大輕軌供電系統的單車單程能耗分析

摘? 要：該文基于波哥大輕軌項目對供電系統仿真的單車單程能耗進行分析。由于車輛仿真中不含再生能耗的單車單程能耗不能滿足合同要求，而直流仿真作為一種時域仿真無法單獨得出單車單程能耗。因此，為了驗證單車單程能耗，首先將合同要求的單車單程轉換成再生能耗占總能耗的比例，然后通過分析建立高峰與平峰時刻的牽引直流仿真模型，最后通過對車輛總再生能耗占總能耗的比例證明單車單程能耗滿足合同要求容量并得到國外監理批準。該文通過上述步驟對波哥大輕軌項目中單車單程能耗進行研究和梳理，以期為今后類似情況提供一種計算方案及相關案例依據。

關鍵詞：單車單程能耗；車輛仿真；牽引仿真；供電能耗；軌道交通

中圖分類號：P694? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）19-0019-04

Abstract： This paper and analyzes the single vehicle one-way energy consumption simulated by power supply system based on Bogotá Metro Rail project. Because the single-way energy consumption of single vehicle without renewable energy consumption in vehicle simulation can not meet the requirements of the contract， while DC simulation as a time-domain simulation can not get single-way energy consumption alone. Therefore， in order to verify the one-way energy consumption of a vehicle， the one-way energy consumption of the vehicle required by the contract is first converted into the ratio of regeneration energy consumption to the total energy consumption， and then the traction DC simulation model of peak and flat time is established through analysis. Finally， through the proportion of the total regenerative energy consumption of vehicles to the total energy consumption， it is proved that the one-way energy consumption of single vehicle meets the required capacity of the contract and has been approved by foreign supervision. Through the above steps， this paper studies and sorts out the one-way energy consumption of vehicles in the Bogotá Metro Rail project， in order to provide a calculation scheme and related case basis for similar situations in the future.

Keywords： single vehicle one-way energy consumption; vehicle simulation; traction simulation; power supply energy consumption; rail transit

波哥大輕軌項目全長39.66 km，全線共設17座車站，13座牽引所，其中首站為Call 26，末端站為Facatativa。由于波哥大本身電力資源較為薄弱，為了實現高效節能的運營目標，在合同中對列車單車單程做出了相關規定。根據波哥大輕軌項目的合同要求，單車單程能耗不能高于480 kWh。根據國內經驗，一般來說只需列車牽引能耗和列車輔助能耗達到合同要求，則單車單程能耗一定能滿足要求，但是波哥大輕軌項目中列車牽引能耗遠遠大于合同要求能耗（見下述案例分析），必須采用其他方式進行計算驗證。

對于牽引供電系統能耗來說，目前較為常見的有基于單位車公里、人公里和噸公里等能耗指標通過優化線路方案研究供電系統能耗[1]；基于剩余制動能量參數通過優化再生設備的分布研究供電系統能耗[2]；基于列車、客流、牽引供電設備、環控設備及發車間隔等因素通過對未來能耗預測及優化來研究供電系統能耗[3]；通過供電設備優化研究供電系統能耗[4]。

綜上，目前供電系統能耗著重于整個牽引供電系統，尚未有單車單程能耗的相關分析，這是因為對于整個供電系統來說，供電仿真是一個基于運行圖的時域過程，無法直接通過仿真得出相應的結果。為了滿足合同要求，下面將通過波哥大輕軌項目實際案例對供電系統中的單車單程能耗進行分析。

1? 供電系統能耗分析

1.1? 供電能耗分析

對于牽引供電系統來說，能耗可以大致分為以下幾個部分，整流機組輸出能耗、傳輸過程損失能耗、列車牽引能耗、列車輔助能耗、再生設備吸收/輸出能耗（如有再生設備）及其他損耗。在仿真過程中，由于其他損耗較為復雜，且占比非常小，因此在仿真過程中忽略其他損耗[5]。

下面將結合波哥大輕軌項目對如何滿足單車單程能耗值進行定量梳理和分析。

首先，在車輛的仿真結果中，共提供3個數據，分別是列車牽引能耗、列車輔助能耗及列車再生制動反饋能量。由于車輛仿真的模型僅為單車牽引模型，因此不涉及供電相關設備，則列車再生制動反饋能量為車輛制動產生的所有能量。而在實際牽引系統中，一方面由于車輛制動反饋給牽引網能量時會將牽引網網壓抬升，根據規范要求，當牽引網壓超過1 800 V（DC1500V牽引系統），列車將從電制動轉換為機械制動，不再往牽引網返送能量；另一方面，在直流供電仿真中，同一供電區間內可能存在多輛列車，列車之間牽引取流和制動返送能量狀態相互影響，很難直接用一個值去進行衡量。因此，單車單程能耗不能簡單地使用列車單車單程總能耗（牽引和輔助）減去列車再生制動反饋能量，因為這里的列車再生制動能量不是100%被返送到牽引網。

其次，對于牽引供電系統來說，整流機組輸出能耗+再生設備吸收能耗（如有）+傳輸過程損失能耗=列車牽引能耗+列車輔助設備能耗+再生設備輸出能耗（如有）。其中，將車輛能耗結果作為輸入條件，則通過仿真可以得到上述參數。

而對于整個直流系統來說，再生制動能量來自車輛制動過程。車輛制動過程一般來說分為2個階段，第一階段為電制動，即向牽引網返送能量，此時牽引網壓升高，當牽引網網壓達到閾值后，列車開始第二階段轉為機械制動，因此首先需要保證的是牽引網壓盡可能不要超過牽引網壓的閾值限制，這樣就能夠保證盡可能多的制動能量被返送到牽引網，而不是被機械能轉換成熱能消耗掉。

通過上面的分析可知，影響直流系統牽引能耗的最重要的因素共有2個，一個是同一供電區間內車輛的狀態，如在同一供電區間內，一車制動返送能量，另一車牽引吸收能量，則可以減少整流機組能量輸出，而對于這個因素本文將用發車間隔進行替代；另一個是能否在車輛返送能量時，通過其他方式將這部分能量進行存儲。根據供電系統的特性和實際運營情況，將第一個因素定量成發車間隔，選取高峰時刻和平峰時刻做兩組仿真進行結果對比；對于第二個因素來說，由于車輛本身無法滿足單車單程能耗要求，因此只能選擇儲能型供電再生設備幫助車輛節省能耗，根據項目特點以及核算，最終選擇了飛輪作為波哥大輕軌項目的再生設備[6]。下面通過車輛仿真結果及直流仿真結果對單車單程的能耗進行分析。

1.2? 車輛仿真結果分析

根據車輛廠家提供的仿真報告進行整理可得表1。 由表1可知，在沒有任何再生能量吸收的情況下，車輛單車單程的最大能耗為590.12 kWh，大于合同要求的480 kWh，因此必須通過核算再生能量計算單車單程的能耗。

以Facatativa—Call 26為例，當車輛牽引時，其單車單程所需的所有能耗為590.12 kWh。當車輛制動時，車輛向牽引網返送能量，這部分能量稱為車輛再生制動能量共計295.69 kWh。如要滿足合同要求，上行Call 26—Facatativa再生能量應至少為587.5-480=107.5 kWh，再生能耗占比為107.5/587.5=19%；下行Facatativa—Call 26再生能量應至少為590.12-480=110.12 kWh，再生能耗占比為110.12/590.12=19%。

綜上，為了滿足合同要求則必須要求車輛的再生能耗占比應至少為19%，才能滿足合同單車單程480 kWh的要求。

1.3? 直流仿真結果分析

對于直流仿真來說，沒法將上行和下行分開，因此為了滿足合同要求，則直流仿真的再生能耗總體占比必須大于19%。

從本文1.1的參數分析可知，運營圖對能耗有較大的影響，例如在高峰時刻，一個供電區間內存在2輛車的概率較大，而在平峰時刻，一個供電區間內存在2輛車的概率極低，則車輛之間能量相互吸收的可能性更低，同時再生儲能裝置在平峰時刻的使用率也會遠遠高于高峰時刻。因此擬采用下面2種仿真工況開展仿真工作，第一種仿真工況為選取運營圖05：00：00—05：19：42時間段開展高峰時刻直流仿真工作；第二種仿真工況為選取運營圖11：00：00—11：20：00時間段開展平峰時刻直流仿真工作。

根據上述分析，建立波哥大輕軌項目模型并進行仿真，得到高峰時刻能耗結果如圖1所示。

由圖1可知，在05：00：00—05：19：42高峰時間段內，牽引機組輸出的總能耗為3 294 kWh，再生設備吸收能耗為183 kWh（再生設備初始儲能設為0 kWh），釋放能耗為129 kWh，飛輪設備平衡能耗為10 kWh（此能耗包含在54 kWh內），列車總耗能為4 043 kWh，實際再生制動能耗為956 kWh，總損耗能耗為154 kWh。

根據本文1.1的分析可得，列車牽引總能耗（4? 043 kWh）+傳輸過程損失能耗（154 kWh）+再生設備吸收能耗（183 kWh）=整流機組總輸出能耗（3 294 kWh）+列車制動實際返送能耗（956 kWh）+再生設備輸出能耗（129 kWh）。根據上面公式，得到在在05：00：00—05：19：42高峰時間段內所有車輛的總能耗為4 043 kWh，這個值只跟列車的運營圖有關，即有多少輛車在這個時間段內進行牽引，跟車輛間能耗是否相互吸收，是否設置再生設備無關，則將該值類比為車輛仿真中的總牽引能耗。則按照上述分析，對于車輛本身來說，其再生能耗占比為956/4 043=23.64%。對于再生設備來說，其釋放儲能只是幫助牽引整流機組節省能耗，對于車輛的再生制動能耗來說沒有影響，而吸收儲能則跟車輛再生制動有直接關系，首先再生設備吸收儲能一定是在車輛制動時，而再生設備吸收儲能可以看成是這段供電區間內另外一個供電負荷，因此再生設備的吸收儲能吸收占比為183/4 043=4.5%，則如果不設置再生儲能設備，對于車輛本身來說，其再生能耗占比為23.64%-4.5%=19.14%，也是滿足合同要求的。因此在高峰時刻，列車無論是否投入再生儲能設備，其都滿足合同要求的單車單程480 kWh的要求。

根據本文1.1的分析，列車單車單程能耗在高峰時刻和平峰時刻是有區別的，因此建立波哥大輕軌項目模型并進行仿真，得到平峰時刻能耗結果如圖2所示。

由圖2可知，在11：00：00—11：20：00平峰時間段內，牽引機組輸出的總能耗為1 830 kWh，再生設備吸收能耗為124 kWh（再生設備初始儲能設為0 kWh），釋放能耗為95 kWh，飛輪設備平衡能耗為10 kWh（此能耗包含在29 kWh內），列車總耗能為2 058 kWh，實際再生制動能耗為416 kWh，總損耗能耗為159 kWh。

根據本文1.1的分析可得，列車牽引總能耗（2? 058 kWh）+傳輸過程損失能耗（159 kWh）+再生設備吸收能耗（124 kWh）=整流機組總輸出能耗（1 830 kWh）+列車制動實際返送能耗（416 kWh）+再生設備輸出能耗（95 kWh）。根據上面公式，得到在11：00：00—11：20：00平峰時間段內所有車輛的總能耗為2 058 kWh，這個值只跟列車的運營圖有關，即有多少輛車在這個時間段內進行牽引，跟車輛間能耗是否相互吸收，是否設置再生設備無關，則將該值類比為車輛仿真中的總牽引能耗。則按照上述分析，對于車輛本身來說，其再生能耗占比為416/2 058=20.21%。對于再生設備來說，其釋放儲能只是幫助牽引整流機組節省能耗，對于車輛的再生制動能耗來說沒有影響，而吸收儲能則跟車輛再生制動有直接關系，首先再生設備吸收儲能一定是在車輛制動時，而再生設備吸收儲能可以看成是這段供電區間內另外一個供電負荷，因此再生設備的吸收儲能吸收占比為124/2 058=6.0%，則如果不設置再生儲能設備，對于車輛本身來說，其再生能耗占比為20.21%-6.0%=14.21%，這是不滿足合同要求的。這是因為平峰時刻發車間隔較大，同一供電區間內存在2輛車的概率特別低，因此必須使用再生設備幫助儲能，否則無法滿足合同要求。

將上面的分析進行整理得到表2。

根據本文1.2的結果可知，如要滿足合同要求，則再生能耗總體占比必須大于19%。根據上面的結果可以看出，在高峰時刻，即使不上任何措施，再生能耗總體占總體能耗的比例為19.14%，其滿足合同要求；但是在平峰時刻，在不上任何再生設備時，再生能耗總體占總體能耗的比例為14.21%，不能滿足合同要求，因此必須通過添加再生設備幫助車輛增加再生能耗，通過增加再生設備，最終使得整體再生能耗從14.21%提高到20.21%，滿足合同要求。

綜上，雖然由于各種原因導致無法通過車輛仿真直接證明單車單程能耗滿足合同要求，但是本節通過對車輛仿真及直流仿真的分析，將單車單程能耗轉換為再生能耗的占比后，成功證明單車單程的能耗滿足合同要求并得到國外監理的認可和批復。

2? 結論

一般國內軌道交通項目中的單車單程能耗在車輛仿真過程中已經滿足要求，而本文依托的波哥大輕軌項目其當地電力資源較為稀缺，同時由于波哥大作為全球車流量第六大的城市，其客流較大，在考慮車輛能耗時根據當地情況采用超載模型進行建模，因此所需的牽引能耗遠大于國內同等規模的輕軌項目。

一般來說，國內類似軌道交通項目僅預留再生設備位置，不直接上再生設備，這是因為國內高峰時刻（2 min發車間隔）在不設置任何再生設備的情況下再生能耗占總牽引能耗的比例在40%～50%，而本項目為大小交路套跑，市區段發車間隔為4 min，郊區段發車間隔為12 min，因此在不加任何再生設備的情況下再生能耗占總牽引能耗的比例僅為19.14%，而在平峰時間段更為嚴重，波哥大輕軌項目在平峰時刻郊區段每個供電區間內僅有一輛車，市區段有2輛車的概率也極低。因此本項目為了滿足合同要求的單車單程能耗必須額外增加再生設備[6]。最終通過對高峰平峰時刻的仿真，在增加再生設備的情況下使得正常工況下的所有運營方案均能滿足合同要求。

本文主要探討了單車單程能耗在直流仿真中的一種計算方式，以波哥大輕軌項目為例進行了分析計算，以期為今后類似要求提供一種計算方案及案例依據。

參考文獻：

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