上海城市轨道交通2号线车辆电阻制动能耗计算*

方 宇 尧辉明 杨 俭

(上海工程技术大学城市轨道交通学院,201620,上海∥第一作者,副教授)

城市轨道交通车辆在电气制动过程中如果满足再生制动条件,则优先实施再生制动,将电机产生的能量反馈至电网加以再利用;如果不满足再生制动条件则实施电阻制动,将电机产生的能量通过车载电阻加以释放。电阻制动能量被转换成热能,释放在地铁隧道内,给环境带来很大影响的同时,也造成了能源浪费[1-2]。本文将针对上海轨道交通2号线车辆的运行曲线进行分析,对电阻制动能量消耗采用计算机软件进行计算。

1 车辆运行曲线分析

为了研究电阻制动时的能量消耗,就一定需要了解制动时所产生的电流与电压的关系,因此车辆运行曲线就显得十分重要。通过分析车辆的运行曲线,用计算机软件对电阻制动过程中的能量消耗进行详细计算,从而为下一步的研究工作奠定基础。

1.1 运行曲线的取得

作者对上海轨道交通2号线AC02型车辆的运行进行了在线测试。测试内容包括车辆运行过程中的接触网电压、牵引电流、中间电压、电阻制动电流等,测试采用WV124E型记录分析仪来完成。

在AC02型车辆的牵引系统中,由于已经安装了部分电压传感器与电流传感器,可以在记录仪上直接选取触网电压(UN)、中间电压(UD)和牵引电流(ID)这3个参数进行测量;电压传感器输出电压1 V所对应的电压为250 V,电流传感器输出电压1 V所对应的电流为500 A。对于电阻制动时制动电阻工作电流的测量,由于制动电阻的接线为双线连接,需要单独加装2个电流传感器进行测量并记录,从而完成整个测试工作。

测量完成后,记录仪存储的数据文件是“TXT”格式,也是明显的表格格式。通过相关软件,可以利用原始数据绘制出不同行车区间的运行曲线图。图1为上海轨道交通2号线AC02型车辆在北新泾站至威宁路站运行区间的接触网电压、中间电压、制动电流和牵引电流的变化情况。

1.2 运行曲线分析

对图1进行分析可见,接触网电压和中间电压随着牵引电流的变化波动比较明显。牵引电流抬升到近700 A时,线网电压由1 600 V下降至1 400 V左右,由于再生制动的作用随即升高到1 730 V左右;到电阻制动的中间段,出现了线网电压接近1 800 V左右的持续区段。造成此现象的最重要原因,可能是邻线有列车在进行电气制动,而使线网电压忽然升高。

图1 上海轨道交通2号线北新泾站—威宁路站运行测试曲线

在时间t=67 s左右时,列车开始进行电阻制动,持续了近10 s左右,最大电阻制动电流为920 A。观察此阶段的线网电压,发现电压在低于1 800 V附近持续,但不会超过1 800 V;此阶段的牵引电流为负、电流反向,给制动电阻供电以消耗列车运行的动能。

综上所述可以看出,车辆在北新泾站至威宁路站区间的运行过程中,在含有电阻制动的牵引电流反馈区段,其电阻制动电流为正值,即整个反馈区段全部为电阻制动而没有再生制动,非常适合于用作车辆电阻制动能耗计算分析。因此,本文将以北新泾站至威宁路站区间所测结果作为原始数据进行电阻制动能耗计算。

2 电阻制动能耗的计算方法

2.1 电阻制动能耗计算的前期数据处理

1)先进行观察,找出电阻制动有效数据大致所在位置,复制其前、后10 s的数据,保存至一新建TXT文件中;

2)将TXT文件转换成为标准的工作表。该工作表有5列数据,其中第1列为时间,第5列为制动电阻电流。将此文件另存以备后用。

2.2 电阻制动能耗计算方法

数据准备完毕后,对电阻制动能耗计算算法进行设计和计算程序的编写。图2是能耗计算的算法框图,其程序由“Visual Basic”软件实现。能耗计算算法的主要步骤如下：

1)首先进行数据的初始化,除变量A=1以外,所有变量的初始值均为0。

2)选取第5列的第A至A+99个单元格作为R1区域,并将D清零。

3)将R1区域的第1与第2个单元格内的数据赋给变量B与C。

4)利用式(1)对第1和第2单元格的电阻制动能量消耗进行计算：

将B与C取平均数后作为0.001 s(所获取每一行原始数据的时间间隔为0.000 5 s)内的电流平均值。地铁车辆制动电阻值一般为2 Ω,因此0.001 s内车辆制动电阻所消耗的能量为：

5)读入R1区中第2个与第3个单元格内的数据,将其再分别赋给B与C,重新执行步骤4),并将计算结果累加到变量D中去。依此类推,将R1区域时间段内的电阻制动消耗能量全部计算出来。

6)比较变量D是否≥80(80是所有单元格的数据均为背景干扰的中值20时可计算出的变量D值,这里作为有效数据的阙值),若超过,则将N的数目累加1,并将D累加到E;若不超过,则使N与E都清零。(注：①背景干扰可能产生的值有10、20、30、40,其中40出现很少,因此将20作为背景干扰的中值。②在程序中插入一个计数器来计算将100个数据累加到D的次数,当进入有效区后返回一个值,在有效区域结束后再返回一个值,这样就可以达到定位有效区域的目的。此定位方式的精度是0.1 s。)

7)为了保证背景干扰的突变不会被认作是有效区域的开始,则需要当N=5(即连续5次的D值都超过80这个阙值后),才被认为进入了有效区域。当进入有效区域(即N=5)后,继续步骤8);不然,则使A=A+100后,返回步骤2),即继续计算并检验后面100个数据,直到N=5为止。

8)此步骤是在进入有效区域后进行,先使A=A+100,然后执行步骤 2)、3)、4)、5)。执行完后得到D,然后比较变量D是否小于80。若D＜80,则将M的数目累加1;若D≥80则使M清零。不论D＜80或D≥80,将D累加到E。

9)当M=5,即连续5次的D值都小于背景干扰的中值20时,可计算出变量D的阙值后,即被认为是已经离开有效区域。

10)此时变量E即为在这段电阻制动有效区域内所消耗的能量,单位是J。

利用2007年6月9日13：57：06采集的北新泾站至威宁路站车辆运行测试数据作为本次计算的原始数据,经过计算后,得到在有效区域内的制动电阻能量消耗为388 751 J(可换算成0.108 kW◦h)。电阻制动有效区域持续时间为 7.2 s,从68.061～75.261 s是有效区域。

图2 电阻制动能耗计算算法框图

3 电阻制动能耗计算结果分析

本次计算使用的数据是在周末采集的。相对于工作日的高峰期,周末下午2点左右是客流较少的时间段。本次所测电阻制动的能量消耗与高峰时段相比肯定相对较小,而与工作日的一般时段相比相差无几,因此可使用本次计算的结果作为一般时段内的典型数据来进行近似计算分析。

3.1 一般时段电阻制动能量消耗分析

在一般时段内,根据软件计算结果,车辆由北新泾路站至威宁路站运行期间1次电阻制动所消耗的能量为0.108 kW◦h。

由于列车自动控制的关系,列车在相同载重、相同区间上的制动能量消耗基本相同。因此若按照每天在一般时段内发车100列计,则一般时段1天内所发列车在北新泾站至威宁路站区间所消耗电阻制动能量总和为10.8 kW◦h。按照上海两部制工业用电价0.591元/(kW◦h),7、8、9月按照夏季电价 0.621元/(kW◦h)来计算,一年需花费2 359.53元。

3.2 早、晚高峰时段电阻制动能量消耗分析

在一般时段,车辆载客按满员的70%计,就是225人/节(满员为322人);按平均每人60 kg计,每节车辆的载重为13.5 t;每节车辆的自重按60.6 t计,则6节编组列车的总重为444.6 t。在高峰时段,车辆载客超员(410人/节),则6节编组列车总重511.2 t。

若简单地按照总重来计算电阻制动所消耗能量,则在高峰时1列车通过北新泾站至威宁路站区间所消耗的电阻制动能量约为0.124 kW◦h。若按每天高峰时段发车76列来计算,则1天内高峰时段列车在北新泾站至威宁路站区间所消耗的电阻制动总能量为9.424 kW◦h,高峰时段 1年需花费2 058.91元,则列车在北新泾站至威宁路站区间1年消耗在电阻制动上的费用为4 418.44元。

4 结语

根据本文对电阻制动的能量消耗计算可以发现,上海轨道交通2号线1年中仅在北新泾站至威宁路站单向区间内消耗在电阻制动上的费用就达4 000多元。经测试,2号线共有5个区间存在电阻制动,按双向计算后,2号线1年在电阻制动上的电费将近5万余元。

随着我国地铁车辆的不断增加,在电阻制动上浪费的电能将越来越大。因此,找到减少,甚至替代城市轨道车辆电阻制动的方法无疑是十分重要的。比如,通过目前应用极为广泛的超级电容装置,对再生制动能量进行回收并加以合理利用等。这对我国建设节约型社会具有十分重大的意义。

[1] 殳企平.城市轨道交通车辆制动技术[D].上海：上海工程技术大学城市轨道交通学院,2005.

[2] 刘宝林.地铁列车能耗分析[J].电力机车与城轨车辆,2007,30(4)：65.