王 忻 吉祥雨 韓博衍 倪子詩(shī) 張 鋼

(1. 鐵科院(北京)工程咨詢有限公司, 100081, 北京; 2. 城軌創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中心有限公司, 100071, 北京;3. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司, 315100, 寧波; 4. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 100044, 北京∥第一作者, 副研究員)

隨著城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱“城軌”)運(yùn)營(yíng)線路里程和能耗的不斷增長(zhǎng),越來(lái)越多的節(jié)能新技術(shù)被應(yīng)用到牽引供電系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[1]統(tǒng)計(jì)了2021年西安地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)車輛和動(dòng)力照明電能消耗與碳排放量占比,計(jì)算了列車輕量化的減重效果和節(jié)能潛力。文獻(xiàn)[2]對(duì)比了青島地鐵11號(hào)線應(yīng)用的永磁同步牽引列車和異步牽引列車在載客運(yùn)營(yíng)期間的能耗與再生制動(dòng)能量數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[3]以寧波地鐵線路為例,實(shí)施了雙向變流器應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)的功能性驗(yàn)證,完成了牽引網(wǎng)穩(wěn)壓與制動(dòng)能量回饋功率測(cè)試,以及電能質(zhì)量測(cè)試與節(jié)能效果分析。然而,當(dāng)多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)同時(shí)應(yīng)用到一條城市軌道交通線路上后,其節(jié)能效果目前尚缺乏評(píng)估測(cè)算,無(wú)法為最優(yōu)節(jié)能方案的制定及決策提供支撐。為此,本文從城軌系統(tǒng)建模及仿真推演的角度出發(fā),對(duì)牽引供電系統(tǒng)節(jié)能降耗低碳技術(shù)的綜合能效展開(kāi)研究。

1 城軌牽引能耗構(gòu)成

電能消耗是城軌系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中能源消耗的主要形式,主要包括車站動(dòng)力照明設(shè)備能耗與列車運(yùn)行牽引能耗[4]。列車運(yùn)行牽引能耗即列車運(yùn)行需要消耗的牽引電能,主要包括車輛牽引系統(tǒng)能耗和輔助系統(tǒng)能耗,其中車輛牽引系統(tǒng)能耗占城軌運(yùn)營(yíng)能耗的40%～50%[5]。根據(jù)能量消耗位置及作用,可將車輛牽引系統(tǒng)能耗分為以下幾類:

1) 牽引變電損耗:變電站內(nèi)部變壓器、整流裝置轉(zhuǎn)換損耗,以及交流側(cè)輸電線路產(chǎn)生的損耗。

2) 接觸網(wǎng)損耗:電能流過(guò)直流接觸網(wǎng)產(chǎn)生的損耗,即牽引供電系統(tǒng)的直流傳輸損耗。

3) 列車能耗:列車正常運(yùn)行必須消耗的能量,主要由列車內(nèi)部輔助供電系統(tǒng)能耗、牽引逆變器損耗、牽引電機(jī)損耗、齒輪箱損耗及運(yùn)行阻力損耗組成。

4) 再生制動(dòng)轉(zhuǎn)換損耗:列車制動(dòng)時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能過(guò)程中的損耗,包括齒輪箱損耗、牽引電機(jī)損耗及牽引逆變器損耗。

5) 其余損耗:列車制動(dòng)能量回饋時(shí)在牽引供電系統(tǒng)中流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。

2 牽引供電系統(tǒng)低碳節(jié)能技術(shù)

2.1 雙向變流技術(shù)

雙向變流器的引入為城軌提供了一種新型的柔性牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其不僅具有24脈波二極管整流機(jī)組+傳統(tǒng)中壓能饋裝置的節(jié)能效果,同時(shí)因體積小、容量大及穩(wěn)壓效果好,可有效降低因傳統(tǒng)中壓能饋裝置容量不足且需鄰站協(xié)同吸收引起的跨區(qū)供電線路損耗;采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗院?整條線路接觸網(wǎng)電壓在較小的范圍內(nèi)波動(dòng),既可避免長(zhǎng)距離越區(qū)供電帶來(lái)的巨大網(wǎng)損,又能最大程度保證再生制動(dòng)能量吸收率,因此節(jié)能效果更為顯著。

2.2 永磁同步牽引傳動(dòng)技術(shù)

在城軌牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中,永磁同步牽引電機(jī)憑借高效率、高功率密度、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)倍受國(guó)內(nèi)外關(guān)注[6]。圖1為永磁同步牽引電機(jī)與異步牽引電機(jī)在同轉(zhuǎn)矩下全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率對(duì)比。由圖1可知:永磁同步牽引電機(jī)在高效率區(qū)(效率>95%的區(qū)域)的轉(zhuǎn)速范圍更大;其工作于額定點(diǎn)時(shí)的效率可提高約5%,工作于低轉(zhuǎn)速區(qū)的效率可提高甚至超過(guò)10%。究其原因主要為地鐵線路站間距短,車輛起停相對(duì)頻繁,永磁同步牽引電機(jī)在低效率區(qū)(效率<5%的區(qū)域)的工作時(shí)間更長(zhǎng);而永磁同步牽引電機(jī)相對(duì)于異步牽引電機(jī)工作于低效率區(qū)的更窄,且電機(jī)效率、再生能量也同樣高于異步牽引電機(jī),節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。

圖1 永磁同步牽引電機(jī)和異步牽引電機(jī)效率對(duì)比

2.3 列車輕量化

在滿足車輛各項(xiàng)要求的前提下降低列車質(zhì)量,可有效降低全壽命周期成本和運(yùn)營(yíng)能耗,如車體采用鋁合金或碳纖維材料等。文獻(xiàn)[7]給出了列車主要輕型材料的減重效果,如表1所示。

表1 列車主要輕型材料的減重效果

2.4 列車駕駛策略及運(yùn)行圖優(yōu)化

優(yōu)化后的列車駕駛策略可以降低列車運(yùn)行過(guò)程中的牽引能耗[8]。在時(shí)刻表已知的前提下,列車從某站到下一站存在多條速度曲線滿足同一時(shí)間約束,具有一定的優(yōu)化空間。此外,充分利用再生制動(dòng)能可以降低運(yùn)營(yíng)能耗,節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本[6]。合理調(diào)整列車發(fā)車時(shí)刻及停站時(shí)間,將列車再生制動(dòng)能量供同一供電區(qū)間列車牽引使用,可大幅提高再生制動(dòng)能利用率,從而節(jié)約牽引能耗。駕駛策略優(yōu)化前后列車運(yùn)行圖對(duì)比見(jiàn)圖2。

a) 優(yōu)化前

3 牽引供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介

本文擬針對(duì)城軌系統(tǒng)牽引用能低碳節(jié)能技術(shù)評(píng)估進(jìn)行研究,建立1套包含牽引供電系統(tǒng)、列車、行車組織的全系統(tǒng)潮流及能耗計(jì)算模型。以城軌車輛動(dòng)力學(xué)模型及其各部件的主要參數(shù)作為計(jì)算主體,輸入線路、列車基本條件及運(yùn)行工況等基本信息,輸出系統(tǒng)能耗計(jì)算結(jié)果和各部分能量效率,完成對(duì)不同低碳節(jié)能技術(shù)下系統(tǒng)綜合節(jié)能效果的評(píng)估。城軌牽引供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。其中,列車牽引計(jì)算模塊可根據(jù)實(shí)際線路條件、列車參數(shù)及駕駛策略等計(jì)算每時(shí)刻列車的位置、速度及消耗功率,牽引供電系統(tǒng)潮流計(jì)算模塊可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型、電氣參數(shù)及牽引計(jì)算結(jié)果,通過(guò)仿真推演得到系統(tǒng)中各點(diǎn)的電壓、電流等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)各部件輸入及輸出功率進(jìn)行積分得到各部件的能耗及效率,從而計(jì)算不同低碳節(jié)能技術(shù)下的城軌牽引系統(tǒng)能耗、效率及節(jié)能率,完成對(duì)牽引供電系統(tǒng)綜合節(jié)能效果的評(píng)估。

圖3 城軌牽引供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)架構(gòu)圖

為了驗(yàn)證該仿真平臺(tái)的合理性和可行性,將國(guó)內(nèi)某地鐵線路相關(guān)信息輸入到仿真軟件中,對(duì)比分析列車單程運(yùn)行工況下?tīng)恳芎牡姆抡娼Y(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果,如圖4所示。由圖4可知:牽引能耗仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)一致;在列車單程運(yùn)行工況下,牽引能耗仿真結(jié)果為322.77 kWh,牽引能耗實(shí)測(cè)結(jié)果為315.96 kWh,仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差為2.15%。上述結(jié)果證明了本試驗(yàn)所用仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,較好地反映了城軌牽引能耗水平。

圖4 城軌牽引能耗-時(shí)間關(guān)系曲線

4 牽引供電系統(tǒng)節(jié)能仿真驗(yàn)證

4.1 模型參數(shù)選取

以國(guó)內(nèi)某地鐵線路為研究背景,共設(shè)車站25座,沿線設(shè)置13個(gè)牽引變電所,每個(gè)牽引變電所中均設(shè)置變流裝置(變流裝置分為兩種,一種為二級(jí)管整流裝置+能饋機(jī)組,另一種為雙向變流器),牽引供電系統(tǒng)交流側(cè)采用35 kV集中供電制式,直流側(cè)采用1 500 V架空接觸網(wǎng)。牽引供電系統(tǒng)仿真模型參數(shù)取值如表2所示。

表2 牽引供電系統(tǒng)仿真模型參數(shù)取值

4.2 單一技術(shù)節(jié)能效果仿真分析

4.2.1 永磁同步牽引技術(shù)節(jié)能效果

在城軌線路與列車運(yùn)行條件相同,且僅改變列車牽引電機(jī)類型的條件下,全線異步牽引電機(jī)型列車(以下簡(jiǎn)稱“異步列車”)與永磁同步牽引電機(jī)型列車(以下簡(jiǎn)稱“永磁列車”)單車(1列6節(jié)編組列車)牽引功率-時(shí)間關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 異步列車與永磁列車單車牽引功率-時(shí)間關(guān)系曲線

列車牽引能耗和制動(dòng)能量如表3所示。由表3可知:永磁列車單車在牽引和制動(dòng)過(guò)程中的節(jié)能率分別為4.14%和 5.47%;列車行駛?cè)^(guò)程中,永磁列車單車節(jié)約能耗142.88 kWh,節(jié)能率為9.92%。由上可見(jiàn),永磁同步牽引電機(jī)效率更高,其消耗電能不僅低于異步牽引電機(jī),且其再生能量也高于異步牽引電機(jī)。

表3 列車牽引能耗和制動(dòng)能量

4.2.2 雙向變流技術(shù)節(jié)能效果

當(dāng)列車全部采用異步牽引電機(jī),整流裝置采用傳統(tǒng)中壓能饋裝置+二極管整流機(jī)組的條件下,牽引供電系統(tǒng)中牽引網(wǎng)損耗為49.25 kWh;整流裝置采用雙向變流器的條件下,牽引網(wǎng)損耗為41.37 kWh。由此可見(jiàn),后者與前者相比,減小了由于網(wǎng)壓降低與跨區(qū)供電帶來(lái)的牽引網(wǎng)損耗,減小值為 7.88 kWh,節(jié)能率達(dá)16.00%。

4.2.3 列車輕量化節(jié)能效果

當(dāng)列車全部采用異步牽引電機(jī),整流裝置采用傳統(tǒng)中壓能饋裝置+二極管整流機(jī)組的條件下,車型設(shè)置為一致,采用的鋁合金車體較原不銹鋼車體減重1 300 kg/列,得出多列車(多列6節(jié)編組列車)減重前后列車總能耗與牽引網(wǎng)損耗。列車質(zhì)量減輕后,相同行駛條件下消耗的電能為1 401.35 kWh,較優(yōu)化前的1 441.05 kWh減少了39.70 kWh,節(jié)能率為2.75%。

4.2.4 列車駕駛策略及運(yùn)行圖優(yōu)化節(jié)能效果

本文采用的定時(shí)節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化模型如下:

(1)

(2)

式中:

J——列車牽引能耗;

uf——列車在位置x處的牽引力使用系數(shù);

f(v)——列車在速度v下的最大牽引力;

ub——列車在位置x處的制動(dòng)力使用系數(shù);

b(v)——列車在速度v下的最大制動(dòng)力;

x——列車位置;

x0——列車的起始位置;

xt——t時(shí)刻的列車位置;

w0——基本阻力;

wj——附加阻力;

t——時(shí)間;

m——列車換算質(zhì)量;

g——重力加速度。

基于龐特亞金極小值原理,構(gòu)建Hamilton函數(shù)H:

μ[v-vlim(x)]

(3)

式中:

vlim(x)——列車在位置x的限速;

μ——不為0的待定量,滿足式(4);

λ1、λ2——伴隨狀態(tài),滿足伴隨方程(見(jiàn)式(5))。

(4)

(5)

當(dāng)Hamilton函數(shù)取最小值時(shí),求解uf、ub的不同取值下,某區(qū)間內(nèi)駕駛策略優(yōu)化前后列車速度-時(shí)間關(guān)系曲線,如圖6所示。列車駕駛策略優(yōu)化后,行駛相同線路時(shí)多列車總消耗電能比優(yōu)化前的1 441.05 kWh減少42.37 kWh,節(jié)能率為2.94%。

圖6 某區(qū)間內(nèi)駕駛策略優(yōu)化前后列車速度-時(shí)間關(guān)系曲線

通過(guò)增加同區(qū)段列車制動(dòng)和牽引的重疊時(shí)間,對(duì)列車停站時(shí)間進(jìn)行5 s范圍內(nèi)的調(diào)整,使得制動(dòng)回饋能量被同區(qū)段列車牽引使用,生成的列車節(jié)能運(yùn)行圖見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn):列車運(yùn)行圖優(yōu)化后,列車消耗電能為1 392.49 kWh,比優(yōu)化前的1 441.05 kWh減少了48.56 kWh,節(jié)能率為3.37%。

圖7 列車節(jié)能運(yùn)行圖

4.3 多技術(shù)綜合節(jié)能仿真分析

表4為多列車況下,將上述4項(xiàng)節(jié)能技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用與綜合應(yīng)用的牽引供電系統(tǒng)總能耗與節(jié)約能耗對(duì)比結(jié)果。需要說(shuō)明的是,在上述單一節(jié)能技術(shù)效果仿真中,僅側(cè)重分析了各項(xiàng)技術(shù)所直接影響的部分系統(tǒng)能耗(例如,列車輕量化節(jié)能技術(shù)中只計(jì)算了列車能耗及節(jié)能率,不包括接觸網(wǎng)損耗等),而表8中各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前后對(duì)應(yīng)的能耗計(jì)算均涵蓋了牽引供電系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分(列車、牽引網(wǎng)、變流裝置、變壓器等),與本文第4.2節(jié)所得結(jié)果相比,各指標(biāo)數(shù)值略有不同。

表4 各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)下多列車牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能率

多項(xiàng)低碳節(jié)能技術(shù)運(yùn)用后,牽引供電系統(tǒng)節(jié)約能耗為240.93 kWh,節(jié)能率為15.79%。按照180列次/d概算,1條線路每年節(jié)約能耗3 673.9 MWh。不同技術(shù)的節(jié)能效果可疊加,但其節(jié)能率小于各項(xiàng)技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用時(shí)的節(jié)能率之和。其中,由于列車再生制動(dòng)能量也可以通過(guò)傳統(tǒng)中壓能饋裝置被利用,雙向變流器的作用主要體現(xiàn)在節(jié)約牽引網(wǎng)損耗方面,對(duì)列車再生制動(dòng)能量利用率的影響相較于傳統(tǒng)中壓能饋裝置差別不大,因此單獨(dú)使用該技術(shù)的節(jié)約能耗占牽引供電系統(tǒng)總能耗比例較小。城軌企業(yè)在進(jìn)行多項(xiàng)低碳節(jié)能技術(shù)應(yīng)用決策時(shí),應(yīng)充分結(jié)合自身用能實(shí)際,從系統(tǒng)整體效能論證單項(xiàng)技術(shù)的節(jié)能效果,以實(shí)現(xiàn)效益最大化。對(duì)于雙向變流器這類以節(jié)約牽引網(wǎng)損耗為主的間接節(jié)能技術(shù),按照傳統(tǒng)能耗計(jì)算方法得到的節(jié)能率較低,建議從改善牽引供電系統(tǒng)整體效能的角度出發(fā)提出新的評(píng)價(jià)指標(biāo),便于城軌企業(yè)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從供電設(shè)備、牽引電機(jī)類型、列車質(zhì)量及行車組織等多個(gè)角度出發(fā),介紹了雙向變流裝置、永磁同步牽引傳動(dòng)技術(shù)、列車輕量化及列車運(yùn)行圖節(jié)能優(yōu)化策略等4種低碳節(jié)能技術(shù)的原理及特點(diǎn),研究了多種技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用與綜合應(yīng)用的節(jié)能效果。目前,這些單項(xiàng)技術(shù)的節(jié)能效果已經(jīng)得到了驗(yàn)證,多種低碳節(jié)能技術(shù)綜合應(yīng)用的條件下可將牽引供電系統(tǒng)節(jié)能率提升至15.79%。從改善牽引供電系統(tǒng)整體效能的角度出發(fā),對(duì)多種低碳節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估,有利于實(shí)現(xiàn)城市軌道交通效益最大化,從而促進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。