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        廣州地鐵1號線列車節(jié)能運行模式的實測分析

        2019-10-16 00:40:08謝小星王保堅黎新華
        城市軌道交通研究 2019年9期

        謝小星 王保堅 黎新華 叢 叢

        (1.廈門市交通運輸管理局,361001,廈門; 2.廈門市公交集團有限公司, 361001,廈門;3.廣州地鐵集團有限公司運營事業(yè)總部,510380,廣州; 4.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 510650,廣州//第一作者,高級工程師)

        廣州地鐵1號線的開通時間早,技術(shù)較為成熟,但其列車運行能耗過大仍是需解決的技術(shù)難題。廣州地鐵1號線于1999年12月28日開通運營,線路總長18.48 km,平均站間距1.23 km。正線運行的西門子與龐巴迪A型車為6節(jié)編組,采用西門子準(zhǔn)移動信號系統(tǒng),具有再生制動饋能功能。列車最高運行速度為80 km/h。本研究以廣州地鐵1號線列車的牽引耗能與運行狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系為對象,通過實際測試分析,找出廣州地鐵列車節(jié)能運行的最優(yōu)方案。

        1 測試方案

        通過測試,掌握列車運行時的主要車輛參數(shù)狀況。對實測數(shù)據(jù)進行匯總整理及分析計算,做出能耗評估,進而分析影響牽引能耗的因素。測試方案主要包括:

        1) 使列車分別按60 km/h、65 km/h及70 km/h限速工況來運行,研究列車牽引能耗與運行時間的關(guān)系,以分析列車降速后的能耗水平;

        2) 根據(jù)列車起動與制動過程的時間,以及該時間區(qū)域內(nèi)列車吸收和反饋的電功率瞬時曲線,來推斷有效能量對沖時間;

        3) 通過調(diào)整列車區(qū)間運行時間,研究在運行圖改變情況下的列車牽引能耗變化;

        4) 改變列車的牽引控制方式,研究牽引能耗的改善,并提出優(yōu)化控制方案。

        2 測試原理及方法

        2.1 列車運行能耗分析

        列車的牽引能耗可表示為:

        (1)

        P(t)=v×F

        (2)

        式中:

        E——牽引能耗;

        t——時間;

        P(t)——t時的功率;

        v——列車速度;

        F——列車牽引力。

        單列列車在運行過程中,要經(jīng)歷牽引、惰行、巡航及制動過程,其功率分別為為:

        Pq=Fq×v;

        Px=Fq×v;

        Pd=0;

        Pz=fz×v

        (3)

        式中:

        Pq——單列列車處于牽引階段的功率;

        px——單列列車處于巡航階段的功率;

        Pd——單列列車處于惰行階段的功率;

        Pz——單列列車處于制動階段的功率;

        Fq——列車牽引力;

        fz——列車制動力。

        可見,不同運行工況下,列車能耗亦不同。

        2.2 測試方法

        測試系統(tǒng)框架如圖1所示。

        2.3 正線測試過程

        試驗列車由西朗站上行至廣州東站,折返后,再由廣州東站下行至西朗站,分別按60 km/h、65 km/h及70 km/h限速,在正常運行模式和SM(監(jiān)督下的人工)模式下運行。試驗以10 Hz和100 Hz兩種測量頻率對列車正線運行狀態(tài)進行全天不間斷測試,通過3次測試,得到較為詳實的運行數(shù)據(jù)。

        圖1 測試系統(tǒng)框圖

        3 測試數(shù)據(jù)分析

        為了提高數(shù)據(jù)的可比性,列車牽引能耗按區(qū)間分段計算,將相同區(qū)間不同限速工況下的牽引能耗按kW·h/(100 km·t)(即單程牽引能耗同分段距離和載重(含空車重)的乘積之比)折算。

        3.1 在不同限速工況及駕駛模式下的列車能耗

        3.1.1 分段牽引能耗曲線比較

        通過改變列車運行限速工況及牽引模式,得到不同時段的能耗及再生反饋能量。其中,平常時段的單列列車在不同限速工況下的輸入能量、牽引能耗及再生能量的折算值見圖2。

        圖2 平常時段上行方向單列列車在不同限速工況下的各區(qū)間測試結(jié)果

        3.1.2 不同限速工況下的列車實際運行速度情況

        典型區(qū)間不同限速工況下的列車實際運行的速度時間曲線見圖3。從圖3可知,區(qū)間限速越低,列車的區(qū)間運行時間越長,對牽引節(jié)能就越有利。

        圖3 典型區(qū)間不同工況下的速度時間曲線

        3.1.3 不同限速工況下的列車能耗情況

        不同限速工況下的列車能耗測試結(jié)果見表1,列車每100 km·t的能耗情況見表2。

        3.1.4 測試結(jié)果分析

        1) 在相同限速工況下,采用SM模式的列車牽引能耗最低。在低谷時段,80 km/h限速工況下的列車實際牽引能耗最高;在平常時段,70 km/h限速工況下的列車實際牽引能耗最低,80 km/h限速工況下最高。

        2) 再生反饋能量與在線列車數(shù)成正比,實際牽引能耗與在線列車數(shù)成反比。

        3) 通過不同限速工況的測試可看出,當(dāng)列車全天按70 km/h限速運行時,其高峰時段運能只是稍微下降。在高峰時段,列車單程旅行速度由46.87 km/h降至45.78 km/h,而單程運行時間最多僅增加了40 s,滿足運行時刻表考核要求,相應(yīng)能耗降低了6.39%。在平常時段和低谷時段,列車能耗分別降低了15.56%和17.05%,節(jié)能效果明顯。

        表1 不同工況下的列車能耗測試結(jié)果

        表2 不同工況下列車每100 km·t的能耗情況

        3.2 牽引與制動的能量對沖影響

        目前,廣州地鐵1號線列車不同限速工況下的制動電阻耗能情況如表3所示。分析不同限速工況下的制動電阻耗能情況可以看出,制動電阻能耗隨機性較大。這說明目前廣州地鐵1號線運行調(diào)度沒有充分考慮列車能量對沖情況,也證明了減少制動電阻耗能優(yōu)化方法的必要性和可行性。由表3可知,全線制動電阻能耗占牽引能耗6%左右。

        3.3 延長列車區(qū)間運行時間

        通過修改運行圖,將限速70 km/h、65 km/h和60 km/h的列車區(qū)間運行時間分別相應(yīng)延長,測試列車的實際運行速度v實,并據(jù)此計算列車的實際運行能耗。延長區(qū)間運行時間后的v實見圖4~5。

        表3 不同限速工況下的制動電阻耗能情況

        圖4 80、70 km/h限速工況下的列車速度對比

        圖5 65 km/h限速工況下的列車速度對比

        理論上,延長列車區(qū)間運行時間方案可以實現(xiàn)節(jié)能。但由于列車信號系統(tǒng)具有“趕點”功能,延長列車區(qū)間運行時間后,列車進入“趕點”狀態(tài),列車實際最高運行速度反而提升,使得該方案的節(jié)能效果并不明顯。

        3.4 改變列車牽引控制方式

        以SM模式下的“牽引-惰行-制動”的方式代替ATO(列車自動運行)模式下頻繁的“牽引-制動”,列車在典型區(qū)間的運行速度曲線如圖6所示。

        圖6 80 km/h限速工況下列車在楊箕站-東山口站區(qū)間不同模式的速度曲線

        在ATO模式下,列車要盡量按ATP(列車自動保護)系統(tǒng)推薦的速度運行,故列車頻繁切換牽引和制動模式,其電機也相應(yīng)地頻繁啟動、制動。這使得電機效率降低、電損耗增大??梢?,減少列車加減速的次數(shù),使其平穩(wěn)行駛,是減小牽引能耗的有效途徑之一。在低谷時段,當(dāng)列車最高運行速度為80 km/h時的單位牽引能耗, SM模式比ATO模式減少29.4%。

        4 結(jié)論

        通過對廣州地鐵1號線的實測,得到了較為詳盡的測試數(shù)據(jù)。通過分析和研究測試數(shù)據(jù),得到減少牽引能耗的建議主要有:

        1) 列車運行時應(yīng)保持較為平滑的速度曲線、減少列車加減速次數(shù)。在非高峰時段應(yīng)采用SM模式駕駛,使列車以貼近ATP建議的速度運行,并采用牽引-惰行-制動方式控制列車,以減少電機的頻繁啟動與制動,提升電機效率。

        2) 優(yōu)化運行圖,增加在線列車起動及制動能量對沖,提高再生制動能量利用率。

        3) 在不影響客運量的情況下,應(yīng)盡量降低車速。根據(jù)測試計算結(jié)果,推薦列車以70 km/h為最高運行速度,此時節(jié)能效果最優(yōu)。

        4) 測試結(jié)果表明:全天的列車載重與空車自重之比均較小,為5%~35%;小載客量運行會增大單位牽引能耗。應(yīng)進一步研究載客分布,并合理地實時調(diào)整車速和在線列車數(shù)。

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