侯 躍 楊 儉 宋瑞剛 李 娜

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院 上海 201620)

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市軌道交通以穩(wěn)、快、準(zhǔn)等特點受到人們的青睞。城市軌道交通將在我國城市公共交通運輸中占有越來越重要的地位，其列車對仿真的要求也越來越高。然而，我國城市軌道交通的建設(shè)剛剛起步，牽引計算理論的研究和節(jié)能算法的研究成果都比較少，因此現(xiàn)有軌道車輛的運行特性曲線并不一定是最優(yōu)的運行特性曲線，列車的運行能耗也并不一定是列車運行的最佳能耗。

城市軌道交通的運行具有區(qū)間距離短、啟動和制動頻繁等特點，而制動時所產(chǎn)生的能量有很大一部分消耗在制動電阻上，所產(chǎn)生的熱量散發(fā)到地鐵隧道內(nèi)和空氣中，使隧道內(nèi)溫度逐年升高，給列車的運行帶來諸多的安全隱患，同時造成了大量能量的浪費。在國家大力號召節(jié)能環(huán)保的趨勢下，列車的運行節(jié)能勢在必行［1］。

筆者以上海地鐵2號線的測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在城市軌道交通節(jié)能運行的理論基礎(chǔ)上優(yōu)化研究，并將得到的仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證了方法的有效性。

1 上海地鐵2號線的列車參數(shù)和線路條件

1.1 上海地鐵2號線的列車參數(shù)

上海地鐵2號線所有車輛是在德國AEG-Welting-House公司牽頭下，由德滬地鐵集團(tuán)(GSMG)設(shè)計制造的。車輛共有A、B、C 3種類型:A為帶司機室的拖車，B為帶受電弓的動車，C為動車。接觸網(wǎng)的電壓額定值為DC 1500 V，電壓變動范圍的最大值為1800 V，最小值為1000 V。6節(jié)編組是最小運營單元，即按A－B－C－CB－A組合方式聯(lián)掛;客流量大時則采用8節(jié)編組，即按A－B－C－B－C－C－B－A組合方式聯(lián)掛［2］。

每輛動車上都裝有1臺兩點式電壓型逆變器，將架空的1500 V直流電以變壓變頻(VVVF)模式轉(zhuǎn)為三相交流電，同時為4臺牽引電機提供電能。列車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示［3］。

表1 上海地鐵2號線列車主要技術(shù)參數(shù)(6節(jié)編組)

1.2 上海地鐵2號線的線路分析

上海地鐵2號線從淞虹路站至張江高科站，線路全長25.2 km，運營間隔為3 min，沿途共設(shè)17個站，有32列車，編組方式有6節(jié)編組和8節(jié)編組，由于測試車輛采用的是6節(jié)編組的列車，因此在下文中的列車編組默認(rèn)為6節(jié)編組，即A－B－C－C－B－A，最大行駛速度為 80 km/h［4］。

選擇有代表性的區(qū)間來分析實際線路條件對列車運行的影響:上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站，兩站間距離為1454 m，在列車的實際運行中總存在電阻制動，實際線路條件如表2所示。其中坡度前面的正負(fù)號分別表示上坡和下坡。

表2 上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站線路條件

2 城軌列車節(jié)能方法優(yōu)化研究

在城軌列車的運行過程中，實際的運行狀態(tài)是非常復(fù)雜的，因此，為了便于計算，可根據(jù)具體的需要建立多種運行策略(即計算時所采用的算法基礎(chǔ))。下面首先介紹列車運行時的3種最典型的牽引運行策略，如圖1所示。

圖1 3種典型的牽引運行策略

從圖1可以看到，節(jié)時算法的運行過程如A—S1—S2—B曲線所示，節(jié)能算法的運行過程如A—S3—S4—B曲線所示，混合優(yōu)化算法的過程如A—S—B曲線所示。

此外，還有一種是定時牽引的運行策略，即在列車的運行區(qū)間內(nèi)要求列車準(zhǔn)點到達(dá)所采用的最節(jié)能的運行模式。列車啟動時，按最大的加速度啟動，制動時以最大減速度制動，中間過程，采用牽引和惰性相結(jié)合的策略運行［5］。

2.1 節(jié)時算法

在列車的運行區(qū)間內(nèi)，要求列車的運行時間最短，即列車按照以下原則運行:列車啟動時，按最大的加速度運行，達(dá)到最大速度時保持最大速度惰行;當(dāng)需要制動時，采用最大的減速度制動;在限速的路段則采用限速的最大值(圖1中的vup)勻速行駛。

2.2 節(jié)能算法

在列車的運行區(qū)間內(nèi)，要求列車的運行能耗最少，即列車按照以下原則運行:列車啟動時，按最大的加速度啟動到經(jīng)濟(jì)限速;中間過程采用盡可能的勻速狀態(tài)或惰行狀態(tài)運行;進(jìn)站階段則以最大制動力運行。若不限制時間時，列車運行的速度越小，則能耗也就越小。另外，列車的運行速度波動越小，則能耗就越低。因此，設(shè)計經(jīng)濟(jì)的運行策略為:在給定的運行時間內(nèi)，采用最大的加速度運行至經(jīng)濟(jì)的速度(圖1中的速度vL)時，保持勻速運行。如果時間足夠則可采取惰行直到終點;如果時間不夠，則惰行一定距離后，采取最大的制動減速度制動。

2.3 混合優(yōu)化算法

列車牽引運行的混合優(yōu)化算法是將上面兩種算法相結(jié)合，既考慮速度，又兼顧節(jié)能，這是一種比較優(yōu)化的算法模型。在城市軌道交通列車運行的過程中，既要考慮乘客的舒適度，又要考慮列車的經(jīng)濟(jì)運行策略，即列車的運行能耗問題。

通過對上海地鐵2號線的分析可以知道，列車在實際運行過程中存在兩次制動過程，因此分別采用一次制動和兩次制動的方式進(jìn)行計算。節(jié)能優(yōu)化運行的算法基礎(chǔ)是:列車在牽引階段，按照最大的牽引加速度運行;列車制動時，按照最大的制動力制動;中間過程一般采用惰性和牽引相結(jié)合的運行策略。

3 結(jié)果分析

3.1 仿真計算結(jié)果

選擇上海地鐵2號線科技館站—世紀(jì)公園站作為計算的區(qū)間，區(qū)間內(nèi)存在電阻制動。本計算基于車輛滿載運行條件下，確定線路條件和列車參數(shù)之后進(jìn)行計算分析，分別得到列車在3種運行策略下時間、速度、距離、能耗(實際能耗)之間的關(guān)系，如圖2所示。

3.2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果

城軌列車在不同的區(qū)間運行時，由于線路條件不同致使反饋回電網(wǎng)的能量與實際消耗的能量也會不同，所以對正常運行下的滿載列車能耗進(jìn)行了測試。

圖2 上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站計算結(jié)果

上海地鐵2號線列車普遍采用AC02型電動列車［6］，為了研究這種列車電阻制動的效果，需要測試列車在不同工況下(牽引、制動)線路電壓、線路電流、制動電阻電流的具體情況。因此，對1節(jié)動車的接觸網(wǎng)電壓、中間電壓、牽引電流、電阻制動電流及車輛運行的轉(zhuǎn)矩(4臺電機)和速度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站測試結(jié)果

當(dāng)列車運行在有電阻制動的區(qū)間時，電網(wǎng)電壓、中間電壓、牽引電流和制動電流的關(guān)系如圖3(a)所示。隨著電機的牽引耗能，列車不斷從電網(wǎng)吸收電能，電網(wǎng)的電壓和中間電壓均有下降的趨勢，當(dāng)牽引電流接近最大牽引電流時，電網(wǎng)電壓明顯減小，從1600 V左右降到1400 V左右，然后隨著牽引電流的逐漸減小，電網(wǎng)電壓趨于平穩(wěn)。當(dāng)電機的牽引電流變?yōu)樨?fù)值后，電網(wǎng)的電壓由于再生制動的反饋電能出現(xiàn)了上升趨勢，隨著再生制動的持續(xù)，電網(wǎng)電壓會繼續(xù)抬升。當(dāng)電網(wǎng)電壓接近1730 V時，出現(xiàn)了電阻制動，此時電網(wǎng)的電壓在1800 V附近持續(xù)了一段時間，制動產(chǎn)生的能量通過制動電阻的形式消耗掉，因此，在電阻制動結(jié)束后，電網(wǎng)電壓有所下降，降至1500 V左右［7］。

通過以上分析并參閱有關(guān)資料，計算出上海地鐵2號線上?？萍拣^站—世紀(jì)公園站間線路的實際能耗為12.61 kW·h，運行時間為100 s，運行距離為 1454 m。

3.3 結(jié)果對比分析

由城軌車輛運行節(jié)能方法優(yōu)化系統(tǒng)的仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)果。

1)節(jié)時算法的實際能耗15.72 kW·h，運行時間87.05 s，運行距離 1454.49 m。

2)混合優(yōu)化算法中若采用一次制動，則實際能耗11.24 kW·h，運行時間88.55 s，運行距離 1453.9 m;若采用兩次制動，則實際能耗 9.38 kW·h，運行時間93.75 s，運行距離 1453.8 m。

3)上海地鐵2號線上海科技館站—世紀(jì)公園站間線路的實際能耗12.61 kW·h，運行時間100 s，運行距離1454 m。

與實際線路相比，若采用一次制動的優(yōu)化方法，則節(jié)能效率為

若采用兩次制動的優(yōu)化方法，則節(jié)能效率為

由以上的數(shù)據(jù)分析可知，列車在運行過程中的能耗是非常大的。按照測試時2號線的運行區(qū)間為從淞虹路到張江高科共15個運行區(qū)間且列車編組為6輛計算，由實際的測試結(jié)果可知，列車運行兩站間的能耗大約為12 kW·h。假設(shè)每列車一天中上下行運行12次，則每天運行耗能為144 kW·h。如果采用一次制動的混合優(yōu)化算法進(jìn)行運行，列車平均每兩站間的運行能耗將減少10%左右，可以節(jié)省的能耗為14.4 kW·h。按照每年365 d、每列車的運營時間350 d、則1年可以節(jié)省的能耗為5040 kW·h;若采用兩次制動的混合優(yōu)化算法進(jìn)行運行，列車平均每兩站間的運行能耗將減少25%左右，取保守值20%計算，則1年可以節(jié)省的能耗為10080 kW·h。若考慮地鐵全線的運營列車數(shù)及發(fā)車密度，則節(jié)省的電能將成倍增長，所以研究列車的運行節(jié)能方法優(yōu)化問題具有重大的現(xiàn)實意義。同時，通過節(jié)能優(yōu)化的研究(如增長制動電阻箱的壽命、減少能量的消耗等)，可以帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，從而降低列車的運營成本。

4 結(jié)語

筆者對上海地鐵2號線車輛節(jié)能的3種運行方法進(jìn)行對比優(yōu)化研究，還有一些影響因素沒有納入計算的參數(shù)中，這些參數(shù)的研究會在后續(xù)的工作中逐漸展開和深入，對影響系數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，但系統(tǒng)中已經(jīng)涉及了主要的技術(shù)參數(shù)，在一定程度上能體現(xiàn)列車的節(jié)能優(yōu)化計算;通過研究，計算出仿真結(jié)果，并與實際線路中的能耗相比較，得到以二次制動模式運行最優(yōu)的結(jié)論。在后續(xù)的工作中，將把仿真結(jié)果運用到列車實際的運行模式中，對仿真結(jié)果的可信度進(jìn)一步驗證。系統(tǒng)的成功設(shè)計，可以為現(xiàn)有車輛提供更佳的運行特性曲線，縮短新車上線的試運行周期。

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［7］楊儉，黃厚明，方宇.上海軌道交通2號線列車運行能耗分析［J］.內(nèi)燃機車，2009，5(4):23-25.