上海轨道交通二号线列车运行能耗分析
杨俭 , 黄厚明 , 方宇 , 尧辉明 , 陈晓丽
(上海工程技术大学城市轨道交通学院 , 上海 201620
摘要 :通过对上海轨道交通二号线列车在正常运行时牵引和制动系统参数及能量消耗的测试分析 , 研究了再生制动与电阻制动间的作用关系 ; 尽管采用再生制动方式 , 但是列车通过制动电阻消耗的能量仍然较大 , 因此对地铁列车制动能量进行回收很有必要。
关键词 :轨道交通 ; 能耗 ; 再生制动 ; 电阻制动
中图分类号 :U260. 13+8 文献标识码 :A 文章编号 :1003-1820(2009 04-0023-03
收稿日期 :2008-10-08
基金项目 :国家教育部科学技术研究重点项目 (208039 ; 上海市自然科学基金 (08ZR1409000 ; 上海市科委科技攻关项目 (061111033
作者简介 :杨俭 (1962 , 男 , 黑龙江哈尔滨人 , 教授。
1 引言
近年来 , 随着我国经济实力的提高 , 各主要城市地铁事业正在迅速发展 , 在未来的几年我国将
会有更多的地铁线路和地铁列车投入运营。便利的城市轨道交通为市民的出行带来极大便利的同时 , 也带来了电能消耗的迅速增加。众所周知 , 现代经济的迅速发展必须依靠能源 , 而我国又是一个能源相对比较缺乏的国家。因此 , 分析地铁列车的能源消耗情况 , 研究地铁列车节能途径是一项迫在眉睫的工作。
2 城市轨道列车制动原理分析
城市轨道交通列车的供电牵引变电所大多每隔一个车站设置一个 , 如图 1所示。列车的制动分 3种情况 :再生制动、电阻制动、机械制动。下面就该 3种情况进行论述分析。 2. 1 列车再生制动
当列车进站前开始制动时 (制动时初速度在 80km/h 左右 , 列车停止从接触网受电 , 电动机改为发电机工况 , 将列车运行的机械能转换为电能 , 产生的制动力使列车减速 , 此时列车向接触网反馈电
能 (如图 1中的列车 1 。如果接触网电压过高或两
个牵引变电所区间无其他列车吸收反馈能量时 , 则不能实现再生制动 , 自动切换为电阻制动。因此实施再生制动必须满足两个条件 :¹再生 (反馈电压必须大于接触网电压 ; º再生电能必须要由其他列车吸收 (此条件由外界因素所决定 , 图 1中处于牵引工况的列车 2刚好吸收列车 1所产生的反馈电能。目前再生制动能量回收是在接触网电压在 1500~1800V(理论值范围内 , 当接触网电压超过 1800V 时 , 通过列车的牵引控制单元 (TCU 切断向接触网反馈的电能 , 列车转变为电阻制动 ; 当接触网电压小于 1500V 时 , 此时因欠压也不能向接触网反馈电能 ,
列车也转变为电阻制动。
图 1 城市轨道列车制动原理示意图
2. 2 列车电阻制动
当不能实施再生制动时 , 列车会自动切断反馈电路 , 实施电阻制动。这时列车运行的动能转换成电能将全部消耗在列车上的制动电阻上 , 并转变为热量散发到大气中去。电阻制动带来的不利因素是电阻产生的高温可能会造成列车其他设备或电缆的损坏 , 这将给列车运行带来潜在的危险。另外减少列车的电阻制动 , 也减少了能源消耗。
第 4期 (总第 422期
内燃机车
2009年 4月
2. 3列车机械制动
当列车速度小于 10km/h 时 , 利用压缩空气作为动力源 , 对列车实施机械制动 , 直至列车停止。城市轨道交通列车的特点就是线路的站间距短 , 列车运行时频繁地起动、制动。就上海地铁而言 , 基本上在列车达到最高速时很快就开始进行制动。同时 , 为了让列车能够准确地按照运行图来运行 , 城市轨道列车在 ATO(自动驾驶模式下运行。目前 , 我国地铁列车大都采用接触网 /轨直流供电 , 牵引系统大都是变压变频的交流传动系统。列车牵引时从电网吸收能量 , 制动时采用反馈方式把制动能量反馈回电网 , 当电网电压升高到一定程度 (1800V 时采用电阻制动。而制动电阻的使用有以下弊端 :制动电阻消耗电能 , 制动能量被浪费 ; 有强迫风冷的制动电阻 , 列车必须提供强迫风 , 这也是一种电能的浪费 ; 车载的制动电阻增加了列车重量 , 同时增加了列车的造价 ; 制动电阻发热对列车其他设备和隧道内其他设备造成影响 [1]。基于地铁列车快速起动、快速制动、全线以精确的预设速度运行的特点 , 列车在起动时会消耗大量的电能 , 在制动时就必然要产生相当大的制动能量。再生制动把动能转化为电能送入电网供其他列车使用 , 这极大地降低了列车的实际能量损耗。
3能耗测试方案
由于城轨列车在运营的不同时段列车间隔是不同的 , 而不同间隔下列车制动时反馈电能被其他列车吸收的情况也可能不同。因此 , 我们测量了列车在正常运行下的能量消耗。
上海地铁二号线采用 AC02型电动列车 , 为了研究 AC02型电动列车电阻制动的效果如何 , 需要测试列车在不同工况下 (牵引、制动的线路电压、线路电流、制动电阻电流的具体情况。
使用记录仪完成牵引与制动指令下的测量 , 将该 2个指令输入到记录仪的数字通道中。在 AC02型列车的牵引系统中 , 安装了部分电压传感器与电流传感器 , 可以直接进行取样 , 这样可以得到触网电压 (UN、中间电压 (UD 、牵引电流 (I T 3个参数和电阻制动电流 (IRB 。为了信号采集的精确和有效 , 对以上信号的测量 ,
使用 1000Hz 的数据采样频率 , 所采集的数据符合 GTO 的开关特性。 4能耗测试
及计算
上海地铁二号线全长 2512km, 日均客流量为 50万人次 , 运营平均间隔时间为3min, 沿途共设 17个站 , 共有 32列车 , 都采用西门子公司的 A 型车 , 编组方式为 6节编组 , 即 A -B -C -B -C -A, 最大行驶速度为 80km/h 。电阻制动能耗 [2]计算公
式 : W i =I 2i @R @t
式中 :I i 为每个采样点的电阻制动电流值 , A; R 为制动电阻 , 8; t 为采样时间 , s 。
电阻制动所消耗的总能量为 :W =r W i = r I 2i @R @t
列车实际牵引电能是指列车在区间运行时牵引系统实际消耗的电能 , 其值是运行时间内电网电压和牵引电流乘积的积分 [3]。列车再生制动电能是指在满足再生制动条件下牵引电流 (电流为负值情况和电网电压乘积的积分 , 此时电能反馈电网并供给其他列车牵引使用。另外将再生制动和电阻制动能量之和定义为电制动能量 , 因此可以得到 :电阻制动能耗占电制动能量比率 =电阻制动消耗能量 /电制动能量
通过对测试数据的计算得到列车在各区间运行时的能量消耗情况 , 其汇总表见表 1与表 2, 表中区间号是从始发站开始依次排序。在运行期间 , 列车上行时 , 电阻制动能耗占电制动能量比率为 6113%; 列车下行时 , 电阻制动能耗占电制动能量比率为 5156%。
表 1列车上行电能测试及计算数据 kW #h 区间实际牵引电能再生制动电能
制动电阻能耗 143. 8426. 440. 08104 245. 1210. 082. 362236 347. 212. 681. 542994 459. 6815. 641. 124496 556. 0021. 840. 008528 647. 220. 120. 058216 746. 8826. 280. 049484 844. 3233. 360. 011904 957. 4426. 680. 010276 1059. 6824. 280. 012448 1163. 3619. 404. 997352 1244. 4824. 6882. 177436 1353. 625. 240. 011116 1455. 8418. 242. 47374 1560. 969. 085. 627312总计 782. 4314. 04820. 54938
