C型地铁动力系统能耗测试与分析

张栋梁

上海轨道交通设备发展有限公司

0 引言

随着城市建设的快速发展，地铁建设也在加速进行。对于一些小城市或者大城市的偏远郊区，考虑到地铁的经济性，开始广泛应用C型地铁。同时，随着运营里程和运营班次的不断增加，整个运营能耗也在急剧上升。因此，制定合理经济的运营策略，得到准确的测试数据尤为重要。研究表明，列车动力系统的能耗约占轨道交通运营总能耗的50%[1-2]，由于试验较难组织，目前能耗的研究以仿真为主[3-4]。通过对上海某C型地铁线路能耗试验的传感器布置，使用适当的外部测试仪器记录了列车在空载AW0、满座AW1、常载AW2和超载AW3工况下牵引系统的输入电压与电流、制动电阻回路电流、辅助系统输入电流等参数，以实现列车在不同工况下的整车能耗、牵引能耗、再生制动回馈能量、制动电阻能耗以及辅助能耗等数据进行采集和分析，为地铁开通后的节能运营提供数据支持和参考。

1 试验背景及条件

试验对象为6节编组，其中4节动车、2节拖车。列车采用DC1 500V的供电电压制式。为了得到列车在空载AW0、满座AW1、常载AW2、超载AW3工况下对比分析数据，试验条件需保持一致。本试验的实际条件为：1）被试验的车辆为同一辆测试列车，除测试人员外无其他乘客；2）模拟运营状态，正线ATO运行，运营区间往返一次；3）模拟每个站台正常停站，停站开门时间约为5-10秒。

2 能耗采集及实现

由于模拟列车实时的运营状态，能耗的采集必须具有即时性和持续性。因此本试验的能耗采集具有以下特点：1）自启动采集，列车速度作为采集触发信号，试验前，系统中设定速度阈值，通过控制程序启动和关闭数据采集；2）变频率采样，列车运营过程中采样频率分布范围较广，根据实际车辆状态，需采用对应的采样频率，利用FPGA技术设置采样程序，根据制动状态可切换低采样频率和高采样频率。

本试验的能耗采集系统主要包括传感器模块、信号调节模块、数据采集和存储模块以及自动化数据采集软件。采集流程如图1所示

图1 能耗采集系统流程示意图

其中，传感器模块输出速度参数以实现与设定阈值的比对，由于地铁电气系统中的电流电压信号大部分处于102或103的数量级范围，考虑到数据可靠性，本试验均采用高精度电压电流传感器。同时，采用非接触式雷达速度传感器匹配速度信号。信号调节模块由电源、采样电阻网络和信号滤波与放大电路三部分组成，共同完成信号的调节转换。数据采集程序控制采集开关及采集频率，要求能够承受列车运营时的复杂条件，抗震抗击。采样后的数据存于存储模块进行后期处理分析，要求能够进行长时间持续采集存储。

3 传感器安装与布置

整车能耗的测量为牵引能耗和辅助能耗两部分。由线网电压、牵引电流、制动电阻电流和辅助电流四个部分组成。电路如图2～图5所示。

图2 线网电压测量点

图3 牵引输入电流测量点

图4 制动电阻电流测量点

图5 辅助逆变器电流测量点

其中，线网电压测量牵引逆变器的输入电压以及辅助逆变器的输入电压；牵引电流测量牵引逆变器输入电流，用于列车牵引能耗的计算。该电流测点共分为两路；制动电阻电流测量制动工况下流经制动电阻的电流结合电压可得到制动电阻能耗；辅助电流测量辅助逆变器输入电流，用于计算列车的辅助能耗。

4 试验数据计算与分析

根据测试系统采集的各项数据，可计算得到各部分的能耗数据，具体计算公式如式（1）～式（6）所示。

（1）吸收能量EA

列车处于牵引工况时，牵引电路从线网吸收能量：

（2）再生能量ERe

当主逆直流侧电流小于零，则列车处于电制动状态，此时处于发电机工况的牵引电机将机械能转为电能，并通过逆变器返回至直流侧。

（3）回馈能量ER(Recovered Energy)

列车处于制动工况且回馈条件满足时，牵引电路向接触网回馈能量。

（4）牵引能耗EC(Energy Consumption)

列车吸收能量与回馈能量的数值差为列车的牵引能耗EC：

（5）制动电阻能耗ERB(Rheostatic Brake Energy Consumption)

列车处于电阻制动工况时，消耗在制动电阻上的电能为制动电阻能耗ERB：

（6）能量回馈率RF(Energy Recovery Factor)列车处于再生制动工况时，再生能量被线网有效利用能量回馈率RF：

基于能耗计算公式，将试验各工况的采集数据进行汇总分析，计算得到的空载AW0、满座AW1、常载AW2、超载AW3工况下的单节车动车能耗数据如表1所示、动车单元（2节动车+1节拖车）能耗数据如表2所示。地铁实际运营站点数较多，因此全线试验采集的数据量较大，为了便于对比分析，本文仅截取了五站四区间的测试数据。

表1 各载荷工况下单节动车能耗数据（kWh）

表2 各载荷工况下动车单元辅助能耗数据 （kWh）

为实现不同工况之间的能耗数据比较与分析，将A站至E站方向的能耗数据进行数据整合和汇总，如表3所示。根据站点间距离与不同载荷工况下列车的总质量，计算列车整车能耗、每公里牵引系统能耗以及每吨公里牵引能耗等，结果如表4所示。

表3 各载荷下整车能耗参数汇总 （kWh）

表4 各载荷下牵引能耗数据对比

在AW3试验时，由于经过了部分涉水路段，试验过程中采用了数次手动制动，因此制动电阻能耗较高，相应的再生能量较低。

综合表1～表3中的数据分析可得，随着载荷的增加，列车牵引能耗不断上升，同时对应的制动能耗也随着上升，其与牵引能耗的比值也逐级增加，可见载荷越大，能量的利用率越低。同时再生能量与牵引能耗的比值接近29%，可见再生系统功能保持了良好的稳定性，对于列车节能起到了辅助作用。

同时，由表4的数据可知，虽然随着载荷的不断增加各系统的能耗均不断上升，但每公里牵引能耗及每吨公里牵引能耗则未呈现线性增加，而表现为上升后下降的趋势。因此，地铁不同运营载荷工况下，从经济效益方面考虑，可根据能耗数据调整运营策略。

5 结语

结合上海某地铁的能耗测试的试验数据，给出了不同载荷工况下C型地铁动力系统的能耗数据及变化趋势。基于此数据，可在线路运营后结合实际车载记录仪的相关数据与运营统计后的客流变化趋势，可通过优化列车排班及运行速度，从而达到节能的目标。