李杰波

( 中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081 )

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動車組固有速度—單位能耗指標(biāo)及計算方法研究

李杰波

( 中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081 )

為獲得更高速度條件下動車組能耗水平，研究并提出動車組速度—能耗為目標(biāo)值的分布規(guī)律。通過國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文件和動車組試驗結(jié)果，提出采用動車組在平直道恒速運(yùn)行時的人均百公里耗電量指標(biāo)，用于評價動車組由設(shè)計制造所賦予的固有能量消耗水平。根據(jù)動車組單位能耗構(gòu)成特點，給出了具體的單位能耗指標(biāo)計算方法，分析動車組固有屬性決定能耗水平的影響因子。以某高速動車組能耗實測結(jié)果為例驗證其速度—單位能耗分布規(guī)律適用性。

鐵路運(yùn)輸； 高速動車組； 速度—單位能耗； 分布

與其他運(yùn)輸模式相比，能源效率是鐵路運(yùn)輸最顯著的優(yōu)勢。UIC[1]將能源效率、噪聲、內(nèi)燃機(jī)排放列為鐵路最相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，從能源消耗觀點將能源效率認(rèn)為是最優(yōu)先考慮項，它能夠保持和加強(qiáng)鐵路運(yùn)輸?shù)母偁幍匚?，降低鐵路運(yùn)營的全壽命周期成本。

德國自2007年開始研究以400 km/h運(yùn)營的超高速動車組[2]，目標(biāo)之一就是節(jié)能，在能耗指標(biāo)上要求比ICE3節(jié)能50%(300 km/h時)。目前我國高速動車組運(yùn)營速度等級有200，250，300 km/h，在發(fā)展過程中也有以330，350 km/h運(yùn)營的經(jīng)驗。以更高速度運(yùn)營時，動車組能耗水平仍是未知目標(biāo)，迫切需要研究動車組運(yùn)行速度與能耗之間的關(guān)系，從能源消耗的角度考慮更高速度鐵路運(yùn)營速度。

1　動車組固有單位能耗指標(biāo)

2008年UIC[3]制訂了鐵路運(yùn)用環(huán)境性能關(guān)鍵指標(biāo)(KPI)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在客運(yùn)和貨運(yùn)能耗指標(biāo)方面提出采用人均公里耗電量(kWh/pkm)和每噸公里耗電量(kWh/tkm)的指標(biāo)概念。我國TB/T 1407-1998《列車牽引計算規(guī)程》[4]中，對貨物運(yùn)輸提出了萬噸公里耗電量(kWh/萬tkm)概念，在牽引旅客列車以及動車組運(yùn)輸能耗方面尚無相關(guān)定義。

動車組能源消耗主要以牽引能耗為主，牽引能耗與動車組運(yùn)行交路、司機(jī)操縱密切相關(guān)。一般將旅客運(yùn)輸分為3種：高速列車(長區(qū)間，高速)、城際旅客列車(少數(shù)停站，速度變化)、區(qū)間或郊區(qū)列車(較多停站，快起快停)。不同交路為客觀條件，主要指存在的不同線路條件和不同運(yùn)輸方式；司機(jī)操縱則是考慮主觀的人為因素，這些因素都不是動車組本身設(shè)計造成的。

文獻(xiàn)[5]指出，在運(yùn)行時間確定的條件下，列車恒速運(yùn)行時阻力能耗最低。為客觀評價動車組固有能耗水平，摒除運(yùn)行交路、司機(jī)操縱導(dǎo)致的能耗波動，特別地在采用動車組在平直道恒速運(yùn)行時的人均百公里耗電量(kWh/102pkm)評價動車組設(shè)計制造本身所固有的能耗水平，簡稱單位能耗。

2　動車組單位能耗計算方法

動車組運(yùn)行基本阻力是耗能主體，一般可以描述為[6]：

(1)

式(1)中w0為動車組運(yùn)行基本阻力，N/kN；vt為速度，km/h；a,b,c為大于零的系數(shù)常量。

設(shè)動車組恒速運(yùn)行速度為v，單位公里運(yùn)行時間為T。動車組單位能耗E可以表示為：

(2)

式(2)中n為動車組旅客人數(shù)；Pa為動車組輔助系統(tǒng)輸出功率，W；m為動車組質(zhì)量，kg；ηt,ηa,ηc,ηg,ηm分別為主變壓器效率、輔助變流器效率、牽引變流器效率、齒輪傳動箱效率、牽引電機(jī)效率。

將式(1)代入式(2)，并考慮恒速運(yùn)行時單位公里運(yùn)行時間T=3 600/v，將式(2)化簡得：

(3)

式(2)、式(3)表明，動車組單位能耗由輔助能耗和克服阻力做功的牽引能耗構(gòu)成，僅與動車組定員、質(zhì)量、輔助功率、阻力以及系統(tǒng)效率有關(guān)，為動車組本身固有屬性決定，可以客觀評價動車組設(shè)計制造所賦予的能耗水平。單位能耗—速度分布計算結(jié)果受傳動系統(tǒng)效率、輔助功率發(fā)揮影響，在低速區(qū)尤其要考慮電機(jī)效率、變壓器效率降低導(dǎo)致的誤差；在高速區(qū)各主要電氣及機(jī)械部件的效率與標(biāo)稱值基本一致，可以按照標(biāo)稱值計算。

式(3)指明了從設(shè)計角度降低動車組能耗的主要手段，包括4方面：

(1)降低整車質(zhì)量，輕量化設(shè)計；

(2)降低動車組運(yùn)行阻力；

(3)降低輔助用電，對輔助負(fù)載進(jìn)行節(jié)能控制如旅客舒適度負(fù)載、充電機(jī)直流負(fù)載以及牽引系統(tǒng)輔助機(jī)組等；

(4)提高牽引傳動系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的效率，合理調(diào)整各環(huán)節(jié)在長期運(yùn)行速度時的功率匹配，以盡量貼近額定工況保證效率在較高水平。

式(3)表明，隨著動車組運(yùn)行速度的增加，運(yùn)行阻力耗能也必然增加，因此總能耗必然隨著速度提高而增大。能耗計算中，一般通過測量網(wǎng)壓、網(wǎng)流計算網(wǎng)端功率，再對網(wǎng)端功率進(jìn)行積分計算耗電量[4]。

為預(yù)測更高速度條件下動車組的能耗分布，需要對動車組速度—單位能耗在現(xiàn)有速度等級運(yùn)行條件下的規(guī)律進(jìn)行探討。

首先，通過線路試驗獲得動車組在平直道上恒速運(yùn)行時的平均網(wǎng)端功率，采用恒速時的平均網(wǎng)端功率估算動車組單位能耗。其次，將在平直道進(jìn)行的多個典型速度點恒速運(yùn)行的單位能耗與速度的關(guān)系按照式(3)的數(shù)學(xué)模型回歸。

可以將式(3)進(jìn)一步調(diào)整為：

(4)

則式(4)為一般表達(dá)式：

(5)

式(5)中A0,A,B,C為式(3)化簡后的常量表達(dá)符號。

式(5)表明了速度與單位能耗乘積后，其與速度為三次方關(guān)系，采用最小二乘法進(jìn)行三次多項式即可獲得類似式(5)的回歸規(guī)律。

最后，將得到的回歸數(shù)學(xué)公式等式左右各除以速度v可得到速度—單位能耗分布規(guī)律。

3　速度—單位能耗分布規(guī)律驗證

以某型高速動車組為例，選取的主要計算參數(shù)如下：n取1004；Pa取600 000 W；m取957 000 kg；主變壓器效率ηt取0.95；輔助變流器效率ηa取0.98；牽引變流器效率ηc取0.98；齒輪傳動箱效率ηg取0.975；牽引電機(jī)效ηm取0.95；單位基本阻力公式系數(shù)a取0.56；b取0.003 7；c取0.000 112。

將計算參數(shù)代入式(3)得該動車組在高速區(qū)段的速度—單位能耗的分布規(guī)律為：

E=64.190/v+0.169+1.114×10-3v+

(6)

通過式(6)可以計算其在各個速度級運(yùn)行時的單位能耗、輔助能耗與阻力能耗貢獻(xiàn)比例。

該型動車組實測單位能耗通過實車試驗，由網(wǎng)側(cè)功率進(jìn)行積分計算獲得。

動車組速度—單位能耗理論計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比表如表1。

表1　載荷條件下某型高速動車組定員理論單位能耗與實測結(jié)果[7]對比表

由表1可見：

(1)隨著速度提高，輔助能耗對動車組單位能耗貢獻(xiàn)越來越小，阻力能耗貢獻(xiàn)越來越大。在330 km/h以上，阻力能耗比例占總能耗的95%以上，因此動車組阻力大小決定了其節(jié)能水平優(yōu)劣。

(2)隨著速度提高，各個環(huán)節(jié)的效率趨于平穩(wěn)，單位能耗計算值與試驗值趨于一致，300 km/h以上相對誤差小于5%。

(3)由于實車無法獲得定員載荷下的更高速度等級單位能耗，如400,420 km/h，因此根據(jù)式(6)預(yù)測該型動車組在更高速度400,420 km/h運(yùn)行時的單位能耗分別為6.17,6.74 kWh/102pkm。該型動車組進(jìn)行超高速試驗時(空載條件)的試驗結(jié)果分別為6.19,6.72 kWh/102pkm，計算結(jié)果與空載條件下的試驗結(jié)果相當(dāng)吻合。

4　結(jié)　論

(1)平直道恒速運(yùn)行人均百公里能耗指標(biāo)作為評價動車組固有單位能耗水平是適用的;

(2)隨著速度提升，動車組單位能耗水平主要取決于動車組阻力大小;

(3)通過與實測結(jié)果驗證，速度—單位能耗的一般分布規(guī)律可以預(yù)測更高速度條件下動車組的單位能耗水平，并得到比較貼近實際的預(yù)測結(jié)果。

[1]UIC Leaflet 345.Environmental Specifications for new rolling stock[S].

[2]吳瑞梅. 德國DLR研制的新一代列車ICE NGT[J]. 國外鐵道車輛, 2014,51(6):15-18.

[3]UIC Leaflet 330. Railway specific environmental performance indicators[S].

[4]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1407-1998 列車牽引計算規(guī)程[S].

[5]曾宇清,于衛(wèi)東, 扈海軍,等.高速鐵路牽引計算層次約束方法[J]. 中國鐵道科學(xué), 2009,30(6):97-103.

[6]張波，陸陽，李杰波．中國高速動車組運(yùn)行阻力試驗及思考[C].中國鐵道科學(xué)研究院60周年學(xué)術(shù)論文集．北京:中國鐵道出版社，2010.

[7]中國鐵道科學(xué)研究院．京滬高速鐵路綜合試驗研究總報告[R]．北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2011.

Research on Speed-energy Consumption Distribution of High-speed EMU

LIJiebo

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences , Beijing 100081， China )

In order to reveal the energy consumption level of high-speed EMU, EMU speed-energy distribution was discussed. According to EMU energy constitutes, the calculation method was proposed given energy saving mode, and the theoretical distribution formula was established for the target speed-energy, revealing the relationship between the energy consumption and the cubic velocity. The practicability of speed-energy consumption distribution was verified by taking a high-speed EMU energy consumption as an example.

Railway transportation, high-speed EMU, speed-energy consumption, distribution

1008-7842 (2016) 04-0097-02

??)男，副研究員(

2015-12-18)

U266.2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.24