摘 要: 通過對廣州地鐵一號線列車在正常運(yùn)營時牽引系統(tǒng)能量消耗的分析, 表明: 目前地鐵列車再生反饋制動的節(jié)能效果明顯, 在運(yùn)營行車密度足夠大的情況下, 通過制動電阻消耗的能量是很有限的。 關(guān)鍵詞: 地鐵列車; 能耗; 反饋制動; 制動電阻; 節(jié)能 0 引言 近年來, 隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的迅猛發(fā)展, 各主要城市地鐵事業(yè)正在迅速發(fā)展, 在未來的幾年我國將會有更多的地鐵線路和更多的地鐵列車投入運(yùn)營。便利的城市軌道交通為市民的出行帶來了極大便利的同時, 也帶來了電能消耗的迅速增加。眾所周知, 現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展必須依靠能源, 而我國又是一個能源相對比較缺乏的國家。因此, 研究地鐵列車的能源消耗情況, 分析并研究地鐵列車節(jié)能途徑是一件迫在眉睫的工作。 1 地鐵列車反饋制動的使用 城市軌道交通列車的特點(diǎn)就是線路的站間距短, 列車運(yùn)行時頻繁地起動、制動, 就廣州地鐵而言, 現(xiàn)有線路基本上在列車達(dá)到最高速時很快就會制動。同時, 為了讓列車能夠準(zhǔn)確地按照運(yùn)行圖來運(yùn)行, 城市軌道車輛在ATO（ 自動駕駛） 模式下都是采用巡航方式來運(yùn)行。目前,我國地鐵列車大都采用接觸網(wǎng) / 軌直流供電, 牽引系統(tǒng)大都是變壓變頻的交流傳動系統(tǒng)。列車牽引時從電網(wǎng)吸收能量, 制動時采用反饋制動把制動能量反饋回電網(wǎng), 當(dāng)電網(wǎng)電壓升高到一定程度（ 1 800 V） 時采用電阻制動?；诘罔F車輛快速起動、快速制動、全線以精確的預(yù)設(shè)速度運(yùn)行的特點(diǎn), 列車在起動時會消耗大量的電能, 在制動時就必然要產(chǎn)生相當(dāng)大的制動能量。反饋制動把動能轉(zhuǎn)化為電能送入電網(wǎng)供其它列車使用, 這極大地降低了列車的實(shí)際能量損耗。 但是, 由于列車運(yùn)行圖及整個線路多種因素的影響,列車配置了制動電阻來消耗列車制動時線路其它列車不能吸收的制動能量。廣州地鐵現(xiàn)有 4 條地鐵線路, 制動電阻的使用情況如表 1 所示。 而制動電阻的使用有以下弊端: 1） 制動電阻消耗電能, 制動能量被浪費(fèi); 2） 有強(qiáng)迫風(fēng)冷的制動電阻, 列車必須提供強(qiáng)迫風(fēng), 這也是一種電能的浪費(fèi); 3） 車載的制動電阻增加了列車重量, 同時增加了列車的造價; 4） 制動電阻發(fā)熱對列車其它設(shè)備和隧道內(nèi)其它設(shè)備造成影響。 基于以上使用制動電阻弊端的考慮, 近年來有人提出了采用超級電容的方案來代替制動電阻。而且超級電容也分車載和地面放置兩種方案來考慮。對于地鐵列車有沒有必要采用超級電容, 筆者認(rèn)為需要從節(jié)能效果和制造維修成本等方面來考慮。為了能夠得到比較準(zhǔn)確的列車能量消耗的數(shù)據(jù), 我們對廣州地鐵一號線列車在正常運(yùn)營時的能量消耗情況進(jìn)行了測量。通過對測量數(shù)據(jù)的分析, 明確了廣州地鐵一號線列車能耗的實(shí)際情況, 為綜合考慮地鐵列車節(jié)能方案提供依據(jù)。 2 數(shù)據(jù)的采集 2.1 數(shù)據(jù)采集的時間（ 見表 2） 由于城軌列車在運(yùn)營的不同時段列車間隔是不同的, 而不同間隔下列車制動時反饋電能被其它列車吸收的情況也可能不同。因此, 我們測量了列車分別在高峰和低峰運(yùn)行下的能量消耗。 廣州地鐵一號線列車牽引控制單元（ DCU） 信號處理板上有相應(yīng)信號測量的接口, 這為我們此次測量帶來了極大的方便, 表 3 中 A327 指的是 DCU 的一塊信號處理板, PB115 指的是測量接口。由于我們所采集的這些信號最終是用來進(jìn)行列車控制矢量計(jì)算的信號, 此處取得的信號值是非常準(zhǔn)確的。因此不考慮測量誤差。 [b]3 計(jì)算采用的概念 [/b] 鑒于此前我們并沒有看到完全針對地鐵列車能量消耗進(jìn)行的測量、計(jì)算和分析, 因此, 本文定義以下幾個概念, 主要目的是為了能夠完全清晰地描述列車能量的消耗情況。 1） 列車牽引系統(tǒng)輸入能量: 列車在區(qū)間運(yùn)行時牽引系統(tǒng)從電網(wǎng)取得的總電能, 其值是運(yùn)行時間內(nèi)對電容電壓和正向線電流乘積的積分。 2） 再生制動饋入電網(wǎng)電能: 列車在區(qū)間運(yùn)行時通過再生制動反饋進(jìn)電網(wǎng)的能量, 其值是制動時間內(nèi)對電容電壓和反向線電流乘積的積分。 3） 制動電阻能耗: 制動斬波相開通時在制動電阻上消耗的能量, 其值是制動時間內(nèi)對電容電壓和斬波相電流乘積的積分。 4） 列車實(shí)際牽引電能: 列車在區(qū)間運(yùn)行時牽引系統(tǒng)實(shí)際消耗的電能。列車實(shí)際牽引電能 = 列車牽引系統(tǒng)輸入能量 - 再生制動饋入電網(wǎng)電能。 簡要地說, 在列車牽引期間, 列車從電網(wǎng)吸收了能量, 這就是“列車牽引系統(tǒng)輸入能量”; 列車在進(jìn)行制動時, 在電制動滿足列車制動要求的情況之下, 列車向電網(wǎng)反饋了電能, 這部分電能就是“再生制動饋入電網(wǎng)電能”;在列車制動期間, 當(dāng)電網(wǎng)電壓由于列車反饋制動的原因升高到 1 800 V 以上時, 列車不能再繼續(xù)進(jìn)行反饋制動,此時, 列車制動電阻投入使用, 在制動電阻上消耗的電能就是“制動電阻能耗”; 列車在正線運(yùn)營期間, 不管電能是列車加速時消耗的, 還是制動期間消耗在了制動電阻上,對電網(wǎng)而言, 都是對電能的消耗, 因此我們定義一個“列車實(shí)際牽引電能”的概念。從電網(wǎng)對列車的能耗輸出這一角度來看“,列車實(shí)際牽引電能”包括了“制動電阻能耗”。 為了能夠?qū)α熊囋趨^(qū)間運(yùn)行時電能的去向有一個比較直觀的認(rèn)識, 我們采用以下兩個概念進(jìn)行分析。 1） 再生制動饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率 其表達(dá)公式如下: 再生制動饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的 地鐵列車在加速牽引時牽引系統(tǒng)會有大量的電能轉(zhuǎn)換為列車動能, 而在制動時也會有相當(dāng)一部分列車動能通過牽引逆變器的轉(zhuǎn)換以電能的形式反饋回電網(wǎng)。通過對“再生制動饋入電網(wǎng)電能”和“列車牽引系統(tǒng)輸入能量”兩個量進(jìn)行定量的比較分析, 我們可以直觀的認(rèn)識到列車牽引時牽引系統(tǒng)吸收電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為列車動能再在制動期間把列車動能轉(zhuǎn)化為電能的這一過程中能量的轉(zhuǎn)移、消耗情況。 對電網(wǎng)而言,“列車牽引系統(tǒng)輸入能量 ”不是真正的消耗, 列車實(shí)際牽引電能才是對電網(wǎng)電能的真正消耗, 也就是說“:列車牽引系統(tǒng)輸入能量 ”剔除了“再生制動饋入電網(wǎng)電能”這一部分, 它才是列車牽引系統(tǒng)對電網(wǎng)電能的真正消耗, 即“列車實(shí)際牽引電能”。 2） 制動電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率, 其表達(dá)公式如下: 制動電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率 = 列車牽引系統(tǒng)在加速牽引階段吸收了電網(wǎng)大量的電能, 在反饋制動階段向電網(wǎng)反饋了部分電能。除此之外,從電網(wǎng)的角度來看, 沒有能夠反饋回電網(wǎng)的電能全部被列車吸收了, 這一部分就是以上所說的“列車實(shí)際牽引電能”。但是, 對列車本身而言, 這部分電能大多都用于列車加速牽引、惰行、制動等各運(yùn)行階段整個系統(tǒng)的消耗上,如軌道的阻力、風(fēng)阻、整個牽引系統(tǒng)（ 牽引逆變器、牽引電機(jī)、線路） 熱能消耗、能量形式轉(zhuǎn)換過程中的能量損失等,以上這些能量的消耗與列車行駛的線路、整個線網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān), 同時也與列車牽引系統(tǒng)的效率有關(guān), 在此我們不作詳細(xì)分析。 “列車實(shí)際牽引電能”還有一少部分是當(dāng)電網(wǎng)電壓升高到 1 800 V 以上時, 列車制動電阻投入使用, 此時的“制動電阻能耗”有助于我們定量分析討論列車制動電阻的價值所在, 因此我們通過“制動電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率”來定量討論“制動電阻能耗”。 [b]4 能耗測試數(shù)據(jù) [/b] 廣州地鐵一號線是 6 節(jié)編組, 4 個動車 2 個拖車。考慮到一列車 4 個動車的牽引系統(tǒng)完全相同, 本次測量僅采集一個動車的牽引系統(tǒng)的信號。 通過對測量數(shù)據(jù)的計(jì)算, 我們得到列車在高峰期間各區(qū)間運(yùn)行時的能量消耗情況, 其匯總表見表 4 與表 5,表中區(qū)間號是從始發(fā)站開始依次排序。高峰期間, 列車上行時, 再生制動饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率為 0.524, 制動電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率為 0.083 4; 列車下行時, 再生制動饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率為 0.496, 制動電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率為 0.000 8。 表 6 與表 7 是低峰期間列車在各區(qū)間運(yùn)行時的能量消耗情況的匯總表。低峰期間, 列車上行時, 再生制動饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率為 0.47, 制動電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率為 0.000 9; 列車下行時, 再生制動饋入電網(wǎng)電能占列車牽引系統(tǒng)輸入能量的比率為 0.42, 制動電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率為 0.031 2。 廣州地鐵一號線出于安全的考慮, 在列車停站開門時牽引系統(tǒng)會開通一次斬波相對電容進(jìn)行放電。通過對列車采集的信號分析, 制動電阻能耗小于 0.01 kW/h 的記錄全部是列車在車站停車且開門的瞬間產(chǎn)生的。因此,小于 0.01 kW/h 的記錄全部是對電容放電的能量, 并不是制動時的消耗。 [b]5 測量結(jié)果分析 [/b] 1） 列車無論是在高峰還是在低峰期間運(yùn)行, 電阻制動實(shí)際工作的次數(shù)非常少。在高峰期只有上行第 13 個區(qū)間有一次明顯的電阻制動, 制動電阻消耗 10.5 kW/h 電能。低峰期只有下行第 5 個區(qū)間有一次明顯的電阻制動,制動電阻消耗 3.1 kW/h 電能。 圖 2 是低峰期間上行第 6 個區(qū)間列車牽引制動的信號, 3 條曲線從上至下依次是 XIN、XUD、XIBS。由于列車在整個牽引制動過程中斬波相沒有任何電流, 因此, 列車在此區(qū)間運(yùn)行時沒有進(jìn)行電阻制動。同時,從圖中的曲線可以看出, 電容電壓迅速下降的同時斬波相電流瞬間增大, 這就是開門瞬間斬波相開通的記錄。 2） 廣州地鐵一號線目前“列車牽引系統(tǒng)輸入能量”在制動時有大約 48% 反饋回了電網(wǎng)用于其它列車消耗, 在“列車實(shí)際牽引電能”中有大約 2.9%被制動電阻消耗?！傲熊噷?shí)際牽引電能”中 97.1%在列車的運(yùn)行過程中由于線路阻力、風(fēng)阻、制動時補(bǔ)充的氣制動等消耗掉了。因此, 不管采用什么方式來節(jié)能, 理論上能夠節(jié)約的電能不超過目前“列車實(shí)際牽引電能”的 2.9%。 3）“制動電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率”最大的是高峰期上行時, 達(dá)到了8.34%, 高峰期下行和低峰期上行期間制動斬波相均沒有開通, 低峰期下行時“制動電阻能耗占列車實(shí) 際牽引電能的比率為3.12% 。兩個往返中總的“制動電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率”是 2.9%。 圖 3 是高峰期間上行第 13 個區(qū)間列車牽引制動的信號, 可以看出, 斬波相開通時制動電阻的電流非常大, 但此種情況很少發(fā)生。列車制動時反饋的電能大約是實(shí)際牽引時電能的 48%, 盡管正線運(yùn)營列車各自起動、制動的時機(jī)受多個因素的影響, 但我們可以做一個簡化。設(shè)正線運(yùn)營列車總數(shù)為m, 制動列車數(shù)為 n, 則制動列車制動能量能夠被牽引列車正好吸收的等式如下: 結(jié)果有: n / m= 0.67 即只要全線制動列車的數(shù)量不超過運(yùn)營列車數(shù)量的67%, 在不考慮線路損耗的情況之下, 制動列車反饋的能量能夠完全被此時正處于加速狀態(tài)的列車吸收, 此時列車的反饋制動不會造成電網(wǎng)電壓的升高, 列車制動電阻不會投入使用。 在實(shí)際的運(yùn)行中, 出現(xiàn)超過 67%列車在同時進(jìn)行制動的情況很少, 因此需要進(jìn)行電阻制動的情況也比較少。當(dāng)然, 此處分析不考慮有列車在惰行、停止等狀態(tài), 僅僅做簡化分析。 4） 由于高峰期載客量明顯比低峰期大, 載客量對牽引的能耗產(chǎn)生了影響, 低峰期列車行車間隔增大客流減少但制動電阻的使用并沒有增加, 即只要列車運(yùn)行圖組織得好, 行車密度足夠大, 間隔均勻, 且同一供電區(qū)間內(nèi)各列車起動加速和制動的時機(jī)配合恰當(dāng), 反饋制動總是能夠發(fā)揮很好的效果。 6 結(jié)論 目前地鐵列車反饋制動的節(jié)能效果是明顯的, 制動電阻消耗的能量是有限的, 這也是為什么有些日本城軌系統(tǒng)不配置制動電阻的原因。當(dāng)然, 地鐵運(yùn)載系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的工程, 制動電阻上消耗的電能很有限并不代表制動電阻的作用不大, 也并不代表制動電阻可以取消。是否采用制動電阻, 制動電阻是否要安裝在列車上, 以上問題都必須在地鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時綜合考慮。本文通過對地鐵列車電能消耗的分析, 明確了廣州地鐵一號線列車能耗的實(shí)際情況, 對綜合考慮地鐵列車制動電能的吸收裝置有借鑒意義。 參考文獻(xiàn): [1] 西門子公司. 廣州地鐵一號線車輛描述[M]. 柏林: 西門子公司,1998.