王 鵬

廣州地鐵5號線AATTOO操縱節(jié)能優(yōu)化研究和試驗(yàn)對比

王 鵬

摘 要：廣州地鐵5號線為直線電機(jī)系統(tǒng)，結(jié)合直線電機(jī)運(yùn)行效率不高、能量損耗大以及直線電機(jī)線路坡道大且多的特點(diǎn)，通過優(yōu)化ATO操縱方式達(dá)到節(jié)能降耗的目的。并進(jìn)行了能耗試驗(yàn)對比，節(jié)能效果良好。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；列車運(yùn)行；節(jié)能；操縱策略；能耗對比試驗(yàn)

王 鵬：廣州市地下鐵道總公司，碩士，廣東廣州 510000

0　引言

直線電機(jī)車輛運(yùn)載系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代以后開始商業(yè)運(yùn)營的。直線電機(jī)車輛具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、噪聲低、斷面小等優(yōu)點(diǎn)。可以克服城市選線中的諸多困難，可輕松穿越既有線路、江、河，可方便地繞過建筑物。適用于地勢起伏大、地形復(fù)雜的城市或地區(qū)。

由于直線電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，在車輛同等質(zhì)量下，直線電機(jī)車輛的牽引能耗相對旋轉(zhuǎn)電機(jī)車輛高。根據(jù)理論計算和試驗(yàn)測試結(jié)果，直線電機(jī)車輛的牽引能耗（單位人公里能耗）相對旋轉(zhuǎn)電機(jī)車輛高30%左右[1]。因此，在發(fā)揮直線電機(jī)車輛運(yùn)載系統(tǒng)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，如何降低能耗，是直線電機(jī)車輛系統(tǒng)的一個重要研究課題。

1　列車自動運(yùn)行（ATO）模式分析

廣州地鐵5號線的ATO操縱模式，每個區(qū)間都基本相似。只是受各區(qū)間的線路長度、曲線大小等影響，每個區(qū)間的限速和列車的最高速度會有所不同。列車從站臺啟動出發(fā)，依次經(jīng)歷加速階段、平穩(wěn)運(yùn)行階段、制動階段，在下一站臺對標(biāo)停穩(wěn)。

在平穩(wěn)運(yùn)行階段，列車基本保持恒速運(yùn)行。但是實(shí)際上，不可能保持速度不變，只是限制在較小的范圍內(nèi)波動。為保持恒速，ATO一般只施加較小的牽引力用于克服列車的阻力。如果出現(xiàn)速度過快的情況，就變?yōu)槎栊谢蛘咧苿訝顟B(tài)，來使列車保持恒速。但是此種控制方式不太符合直線電機(jī)牽引系統(tǒng)的特點(diǎn)，會造成一定能量的浪費(fèi)，其原因如下。

首先，直線電機(jī)氣隙一般為9～12 mm（而旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙只有1 ～2 mm），再加上直線電機(jī)是有端部的（旋轉(zhuǎn)電機(jī)是閉環(huán)），漏磁場較大，機(jī)電能量轉(zhuǎn)化率低。所以，直線電機(jī)相對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，效率和功率因數(shù)都較低，效率一般在0.7～0.8之間，功率因數(shù)一般在0.5～0.6之間[2]。而且在較低牽引力的情況下，直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)會進(jìn)一步降低。現(xiàn)有平穩(wěn)運(yùn)行階段，為保持列車恒速而使直線電機(jī)牽引系統(tǒng)長時間工作在較低工作效率的情況下，并不經(jīng)濟(jì)。

其次，由于直線電機(jī)列車具有不受粘著的限制、爬坡能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通常所設(shè)計的直線電機(jī)系統(tǒng)線路，坡道往往較多且較大（正線最大坡道5%）。當(dāng)列車處于下坡時，重力的斜向分力如果大于阻力，列車速度會越來越大，ATO為使列車保持恒速，必須進(jìn)行間歇制動或者持續(xù)制動。由于直線電機(jī)電制動轉(zhuǎn)化效率同樣較低，坡道的勢能將得不到有效利用，實(shí)際上同樣增大了系統(tǒng)的能耗。

再次，直線電機(jī)由于電感較大，勵磁電流較大，勵磁時間也較長，系統(tǒng)響應(yīng)因而較慢。當(dāng)從加速階段向平穩(wěn)運(yùn)行階段轉(zhuǎn)換過程中，系統(tǒng)響應(yīng)慢，容易造成列車速度過快，必須進(jìn)行制動來使速度恢復(fù)穩(wěn)定，整個過程增大了能耗。在平穩(wěn)運(yùn)行階段，控制滯后也使系統(tǒng)容易受外部因素的干擾（例如坡道、彎道等），列車將由牽引狀態(tài)短暫地變?yōu)橹苿訝顟B(tài)，因而增大了能耗。

因此，考慮在平穩(wěn)運(yùn)行階段列車的控制方式采用惰行與100%牽引間斷操作，如圖1所示,將更加適合直線電機(jī)系統(tǒng)特性，從而系統(tǒng)性地降低能耗。在此種方式中，平穩(wěn)運(yùn)行階段，牽引狀態(tài)的牽引力是100%，使直線電機(jī)工作在最大的效率和功率因數(shù)上，可提高牽引利用率。惰行和牽引間斷操作，實(shí)際上是增大了速度的波動范圍，將降低系統(tǒng)對坡道影響的敏感性，能更多地將坡道的勢能轉(zhuǎn)化為動能，而不是將勢能消耗在制動上。惰行與牽引間斷操作，使控制方式更為簡單，能夠很好地避免系統(tǒng)響應(yīng)慢的問題。

圖1　平穩(wěn)運(yùn)行階段采用惰行與100%牽引間斷操作的方式

2　節(jié)能試驗(yàn)

針對ATO模式分析提出列車節(jié)能操作建議，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證其節(jié)能效果。

圖2　魚珠—大沙地列車ATO運(yùn)行曲線（紫色曲線為列車速度，青色曲線為牽引/制動指令值0～100%）

圖3　魚珠—大沙地列車人工控制運(yùn)行曲線（紫色曲線為列車速度，青色曲線為牽引/制動指令值）

2.1試驗(yàn)方法

在相同的時間內(nèi)，列車以ATO和人工控制（平穩(wěn)運(yùn)行階段采用惰行與100%牽引間斷操作）2種方式從同一車站運(yùn)行到相同的下一車站。使用相同的測試設(shè)備、測試方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對比這2種運(yùn)行方式的列車牽引能耗。

2.2ATO控制方式

ATO控制方式分為3個部分，加速階段、平穩(wěn)運(yùn)行階段、制動階段，如圖2所示是其中一個完整區(qū)間的曲線。加速階段，如圖2中A部分，ATO以100%牽引力牽引列車加速。當(dāng)達(dá)到一定速度后，轉(zhuǎn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段，如圖2中B部分。最后轉(zhuǎn)入制動階段，如圖2中C部分，列車貼近恒定減速度的速度曲線制動，直至在站臺停穩(wěn)。

2.3人工控制方式

人工控制同樣分為3個部分，加速階段、平穩(wěn)運(yùn)行階段、制動階段。加速階段、制動階段仿照ATO控制方式進(jìn)行操作，為了便于司機(jī)現(xiàn)場操作，對其中進(jìn)行了一些簡化。平穩(wěn)運(yùn)行階段則采用惰行與100%牽引間斷操作。

(1）在加速階段，列車100%牽引直到預(yù)定速度，如圖3中A所示，取消了ATO控制中短暫降低牽引指令值的步驟。

(2）在平穩(wěn)運(yùn)行階段，惰行與100%牽引間斷操作，如圖3中B所示。在此階段，ATO控制，則是保持列車恒速。為使2種方式運(yùn)行的時間相同，人工控制方式的列車最高速度要較ATO控制方式的高。

(3）在制動階段，列車以恒定的50%指令值制動，直至停車，如圖3中C所示。基本與ATO控制方式在此階段的目標(biāo)曲線斜率相當(dāng)，且便于司機(jī)操作。

2.4數(shù)據(jù)采集方式

數(shù)據(jù)采集儀DAVA5000采集單節(jié)車的母線直流電壓和母線直流電流，用以計算單節(jié)車的能耗。制動系統(tǒng)記錄軟件“Brake consult”記錄列車牽引/制動的指令值（包括ATO指令值、人工控制指令值），以及列車運(yùn)行的速度曲線。

表1　試驗(yàn)結(jié)果

圖4　魚珠—大沙地ATO運(yùn)行條件下測得的電流曲線

圖5　魚珠—大沙地人工控制運(yùn)行條件下測得的電流曲線

圖6　員村—科韻路列車ATO控制運(yùn)行曲線（紫色曲線為列車速度，青色曲線為牽引/制動指令值）

3　區(qū)間試驗(yàn)和能耗對比

在魚珠—大沙地區(qū)間，列車以ATO方式從魚珠站臺啟動，到大沙地站臺停車為止，整個區(qū)間的運(yùn)行時間約為96 s。以人工控制方式，列車從魚珠站臺啟動，以100%牽引力加速到約77 km/h，轉(zhuǎn)為惰行，當(dāng)列車速度逐漸降到約67 km/h后，再次以100%牽引力加速至約77 km/h，然后轉(zhuǎn)為惰行，列車將要進(jìn)站前，以50%的恒定制動力制動，在大沙地站臺停穩(wěn)。整個區(qū)間的運(yùn)行時間約為95 s。近似認(rèn)為兩者時間相等。

以相似的方式，也在員村—科韻路區(qū)間進(jìn)行了試驗(yàn)。在2個區(qū)間、采用2種操縱方式的牽引能耗測試結(jié)果如表1所示。

從表1的測試結(jié)果可以看出，在近似相等的區(qū)間運(yùn)行時間內(nèi)，在區(qū)間最高速度提高不超過4 km/h的情況下，平穩(wěn)運(yùn)行階段采用惰行與100%牽引間斷操作方式，相對于現(xiàn)有ATO運(yùn)行方式，都有不同程度的能耗節(jié)約。

魚珠—大沙地區(qū)間，由于從魚珠往大沙地方向線路總體處于上坡狀態(tài)，加速時間較長，節(jié)約的能耗主要是由于：在平穩(wěn)運(yùn)行階段改變了操作方式，提高了牽引利用率。員村—科韻路區(qū)間的線路總體處于U形，車站地勢高且基本處于同一水平面上，中間地勢低，節(jié)約的能耗，除提高牽引利用率外，還有效地利用了下坡的勢能，節(jié)能效果因而更為明顯。

圖7　員村—科韻路列車人工控制運(yùn)行曲線（紫色曲線為列車速度，青色曲線為牽引/制動指令值）

圖8　員村—科韻路ATO運(yùn)行條件下測得的電流曲線

圖9　員村—科韻路人工控制運(yùn)行條件下測得的電流曲線

4　小結(jié)

綜上所述，平穩(wěn)運(yùn)行階段采用惰行與100%牽引間斷人工操作方式，將能更好地適應(yīng)直線電機(jī)的特性，以及直線電機(jī)線路的特點(diǎn)。相對于現(xiàn)有平穩(wěn)運(yùn)行階段采用的恒速運(yùn)行方式，不但提高了牽引效率，而且更有效地利用了坡道的勢能，因而更加節(jié)能。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 冒一平

Study and Tests Comparison of Energy Saving Optimization Operation on Guangzhou Metro Line 5

Wang Peng

Abstract:Guangzhou metro Line 5 uses the linear motor system. Taking into consideration of the characteristics that operating effi ciency of linear motor is not high, energy loss is big and line gradient is big and large in quantity, optimization of existing ATO mode. The energy consumption tests are analyzed and compared, having a good energy saving effect.

Keywords:linear motor, train operation, energy saving, control strategy, energy consumption comparison test

收稿日期2014-09-01

中圖分類號：U268.6