方 宇 堯輝明 楊 儉

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上?！蔚谝蛔髡?副教授)

城市軌道交通車輛在電氣制動(dòng)過(guò)程中如果滿足再生制動(dòng)條件,則優(yōu)先實(shí)施再生制動(dòng),將電機(jī)產(chǎn)生的能量反饋至電網(wǎng)加以再利用;如果不滿足再生制動(dòng)條件則實(shí)施電阻制動(dòng),將電機(jī)產(chǎn)生的能量通過(guò)車載電阻加以釋放。電阻制動(dòng)能量被轉(zhuǎn)換成熱能,釋放在地鐵隧道內(nèi),給環(huán)境帶來(lái)很大影響的同時(shí),也造成了能源浪費(fèi)[1-2]。本文將針對(duì)上海軌道交通2號(hào)線車輛的運(yùn)行曲線進(jìn)行分析,對(duì)電阻制動(dòng)能量消耗采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算。

1 車輛運(yùn)行曲線分析

為了研究電阻制動(dòng)時(shí)的能量消耗,就一定需要了解制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電流與電壓的關(guān)系,因此車輛運(yùn)行曲線就顯得十分重要。通過(guò)分析車輛的運(yùn)行曲線,用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)電阻制動(dòng)過(guò)程中的能量消耗進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算,從而為下一步的研究工作奠定基礎(chǔ)。

1.1 運(yùn)行曲線的取得

作者對(duì)上海軌道交通2號(hào)線AC02型車輛的運(yùn)行進(jìn)行了在線測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括車輛運(yùn)行過(guò)程中的接觸網(wǎng)電壓、牽引電流、中間電壓、電阻制動(dòng)電流等,測(cè)試采用WV124E型記錄分析儀來(lái)完成。

在AC02型車輛的牽引系統(tǒng)中,由于已經(jīng)安裝了部分電壓傳感器與電流傳感器,可以在記錄儀上直接選取觸網(wǎng)電壓(UN)、中間電壓(UD)和牽引電流(ID)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量;電壓傳感器輸出電壓1 V所對(duì)應(yīng)的電壓為250 V,電流傳感器輸出電壓1 V所對(duì)應(yīng)的電流為500 A。對(duì)于電阻制動(dòng)時(shí)制動(dòng)電阻工作電流的測(cè)量,由于制動(dòng)電阻的接線為雙線連接,需要單獨(dú)加裝2個(gè)電流傳感器進(jìn)行測(cè)量并記錄,從而完成整個(gè)測(cè)試工作。

測(cè)量完成后,記錄儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件是“TXT”格式,也是明顯的表格格式。通過(guò)相關(guān)軟件,可以利用原始數(shù)據(jù)繪制出不同行車區(qū)間的運(yùn)行曲線圖。圖1為上海軌道交通2號(hào)線AC02型車輛在北新涇站至威寧路站運(yùn)行區(qū)間的接觸網(wǎng)電壓、中間電壓、制動(dòng)電流和牽引電流的變化情況。

1.2 運(yùn)行曲線分析

對(duì)圖1進(jìn)行分析可見(jiàn),接觸網(wǎng)電壓和中間電壓隨著牽引電流的變化波動(dòng)比較明顯。牽引電流抬升到近700 A時(shí),線網(wǎng)電壓由1 600 V下降至1 400 V左右,由于再生制動(dòng)的作用隨即升高到1 730 V左右;到電阻制動(dòng)的中間段,出現(xiàn)了線網(wǎng)電壓接近1 800 V左右的持續(xù)區(qū)段。造成此現(xiàn)象的最重要原因,可能是鄰線有列車在進(jìn)行電氣制動(dòng),而使線網(wǎng)電壓忽然升高。

圖1 上海軌道交通2號(hào)線北新涇站—威寧路站運(yùn)行測(cè)試曲線

在時(shí)間t=67 s左右時(shí),列車開始進(jìn)行電阻制動(dòng),持續(xù)了近10 s左右,最大電阻制動(dòng)電流為920 A。觀察此階段的線網(wǎng)電壓,發(fā)現(xiàn)電壓在低于1 800 V附近持續(xù),但不會(huì)超過(guò)1 800 V;此階段的牽引電流為負(fù)、電流反向,給制動(dòng)電阻供電以消耗列車運(yùn)行的動(dòng)能。

綜上所述可以看出,車輛在北新涇站至威寧路站區(qū)間的運(yùn)行過(guò)程中,在含有電阻制動(dòng)的牽引電流反饋區(qū)段,其電阻制動(dòng)電流為正值,即整個(gè)反饋區(qū)段全部為電阻制動(dòng)而沒(méi)有再生制動(dòng),非常適合于用作車輛電阻制動(dòng)能耗計(jì)算分析。因此,本文將以北新涇站至威寧路站區(qū)間所測(cè)結(jié)果作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行電阻制動(dòng)能耗計(jì)算。

2 電阻制動(dòng)能耗的計(jì)算方法

2.1 電阻制動(dòng)能耗計(jì)算的前期數(shù)據(jù)處理

1)先進(jìn)行觀察,找出電阻制動(dòng)有效數(shù)據(jù)大致所在位置,復(fù)制其前、后10 s的數(shù)據(jù),保存至一新建TXT文件中;

2)將TXT文件轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的工作表。該工作表有5列數(shù)據(jù),其中第1列為時(shí)間,第5列為制動(dòng)電阻電流。將此文件另存以備后用。

2.2 電阻制動(dòng)能耗計(jì)算方法

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后,對(duì)電阻制動(dòng)能耗計(jì)算算法進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算程序的編寫。圖2是能耗計(jì)算的算法框圖,其程序由“Visual Basic”軟件實(shí)現(xiàn)。能耗計(jì)算算法的主要步驟如下：

1)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化,除變量A=1以外,所有變量的初始值均為0。

2)選取第5列的第A至A+99個(gè)單元格作為R1區(qū)域,并將D清零。

3)將R1區(qū)域的第1與第2個(gè)單元格內(nèi)的數(shù)據(jù)賦給變量B與C。

4)利用式(1)對(duì)第1和第2單元格的電阻制動(dòng)能量消耗進(jìn)行計(jì)算：

將B與C取平均數(shù)后作為0.001 s(所獲取每一行原始數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為0.000 5 s)內(nèi)的電流平均值。地鐵車輛制動(dòng)電阻值一般為2 Ω,因此0.001 s內(nèi)車輛制動(dòng)電阻所消耗的能量為：

5)讀入R1區(qū)中第2個(gè)與第3個(gè)單元格內(nèi)的數(shù)據(jù),將其再分別賦給B與C,重新執(zhí)行步驟4),并將計(jì)算結(jié)果累加到變量D中去。依此類推,將R1區(qū)域時(shí)間段內(nèi)的電阻制動(dòng)消耗能量全部計(jì)算出來(lái)。

6)比較變量D是否≥80(80是所有單元格的數(shù)據(jù)均為背景干擾的中值20時(shí)可計(jì)算出的變量D值,這里作為有效數(shù)據(jù)的闕值),若超過(guò),則將N的數(shù)目累加1,并將D累加到E;若不超過(guò),則使N與E都清零。(注：①背景干擾可能產(chǎn)生的值有10、20、30、40,其中40出現(xiàn)很少,因此將20作為背景干擾的中值。②在程序中插入一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)算將100個(gè)數(shù)據(jù)累加到D的次數(shù),當(dāng)進(jìn)入有效區(qū)后返回一個(gè)值,在有效區(qū)域結(jié)束后再返回一個(gè)值,這樣就可以達(dá)到定位有效區(qū)域的目的。此定位方式的精度是0.1 s。)

7)為了保證背景干擾的突變不會(huì)被認(rèn)作是有效區(qū)域的開始,則需要當(dāng)N=5(即連續(xù)5次的D值都超過(guò)80這個(gè)闕值后),才被認(rèn)為進(jìn)入了有效區(qū)域。當(dāng)進(jìn)入有效區(qū)域(即N=5)后,繼續(xù)步驟8);不然,則使A=A+100后,返回步驟2),即繼續(xù)計(jì)算并檢驗(yàn)后面100個(gè)數(shù)據(jù),直到N=5為止。

8)此步驟是在進(jìn)入有效區(qū)域后進(jìn)行,先使A=A+100,然后執(zhí)行步驟 2)、3)、4)、5)。執(zhí)行完后得到D,然后比較變量D是否小于80。若D＜80,則將M的數(shù)目累加1;若D≥80則使M清零。不論D＜80或D≥80,將D累加到E。

9)當(dāng)M=5,即連續(xù)5次的D值都小于背景干擾的中值20時(shí),可計(jì)算出變量D的闕值后,即被認(rèn)為是已經(jīng)離開有效區(qū)域。

10)此時(shí)變量E即為在這段電阻制動(dòng)有效區(qū)域內(nèi)所消耗的能量,單位是J。

利用2007年6月9日13：57：06采集的北新涇站至威寧路站車輛運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)作為本次計(jì)算的原始數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)計(jì)算后,得到在有效區(qū)域內(nèi)的制動(dòng)電阻能量消耗為388 751 J(可換算成0.108 kW?h)。電阻制動(dòng)有效區(qū)域持續(xù)時(shí)間為 7.2 s,從68.061～75.261 s是有效區(qū)域。

圖2 電阻制動(dòng)能耗計(jì)算算法框圖

3 電阻制動(dòng)能耗計(jì)算結(jié)果分析

本次計(jì)算使用的數(shù)據(jù)是在周末采集的。相對(duì)于工作日的高峰期,周末下午2點(diǎn)左右是客流較少的時(shí)間段。本次所測(cè)電阻制動(dòng)的能量消耗與高峰時(shí)段相比肯定相對(duì)較小,而與工作日的一般時(shí)段相比相差無(wú)幾,因此可使用本次計(jì)算的結(jié)果作為一般時(shí)段內(nèi)的典型數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行近似計(jì)算分析。

3.1 一般時(shí)段電阻制動(dòng)能量消耗分析

在一般時(shí)段內(nèi),根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果,車輛由北新涇路站至威寧路站運(yùn)行期間1次電阻制動(dòng)所消耗的能量為0.108 kW?h。

由于列車自動(dòng)控制的關(guān)系,列車在相同載重、相同區(qū)間上的制動(dòng)能量消耗基本相同。因此若按照每天在一般時(shí)段內(nèi)發(fā)車100列計(jì),則一般時(shí)段1天內(nèi)所發(fā)列車在北新涇站至威寧路站區(qū)間所消耗電阻制動(dòng)能量總和為10.8 kW?h。按照上海兩部制工業(yè)用電價(jià)0.591元/(kW?h),7、8、9月按照夏季電價(jià) 0.621元/(kW?h)來(lái)計(jì)算,一年需花費(fèi)2 359.53元。

3.2 早、晚高峰時(shí)段電阻制動(dòng)能量消耗分析

在一般時(shí)段,車輛載客按滿員的70%計(jì),就是225人/節(jié)(滿員為322人);按平均每人60 kg計(jì),每節(jié)車輛的載重為13.5 t;每節(jié)車輛的自重按60.6 t計(jì),則6節(jié)編組列車的總重為444.6 t。在高峰時(shí)段,車輛載客超員(410人/節(jié)),則6節(jié)編組列車總重511.2 t。

若簡(jiǎn)單地按照總重來(lái)計(jì)算電阻制動(dòng)所消耗能量,則在高峰時(shí)1列車通過(guò)北新涇站至威寧路站區(qū)間所消耗的電阻制動(dòng)能量約為0.124 kW?h。若按每天高峰時(shí)段發(fā)車76列來(lái)計(jì)算,則1天內(nèi)高峰時(shí)段列車在北新涇站至威寧路站區(qū)間所消耗的電阻制動(dòng)總能量為9.424 kW?h,高峰時(shí)段 1年需花費(fèi)2 058.91元,則列車在北新涇站至威寧路站區(qū)間1年消耗在電阻制動(dòng)上的費(fèi)用為4 418.44元。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文對(duì)電阻制動(dòng)的能量消耗計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),上海軌道交通2號(hào)線1年中僅在北新涇站至威寧路站單向區(qū)間內(nèi)消耗在電阻制動(dòng)上的費(fèi)用就達(dá)4 000多元。經(jīng)測(cè)試,2號(hào)線共有5個(gè)區(qū)間存在電阻制動(dòng),按雙向計(jì)算后,2號(hào)線1年在電阻制動(dòng)上的電費(fèi)將近5萬(wàn)余元。

隨著我國(guó)地鐵車輛的不斷增加,在電阻制動(dòng)上浪費(fèi)的電能將越來(lái)越大。因此,找到減少,甚至替代城市軌道車輛電阻制動(dòng)的方法無(wú)疑是十分重要的。比如,通過(guò)目前應(yīng)用極為廣泛的超級(jí)電容裝置,對(duì)再生制動(dòng)能量進(jìn)行回收并加以合理利用等。這對(duì)我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)具有十分重大的意義。

[1] 殳企平.城市軌道交通車輛制動(dòng)技術(shù)[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,2005.

[2] 劉寶林.地鐵列車能耗分析[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2007,30(4)：65.