城市轨道交通列车牵引和制动能耗实测分析

许伶俐，刘炜，廖钧，崔梦雨，刘聪，王栋

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)



城市轨道交通列车牵引和制动能耗实测分析

许伶俐，刘炜，廖钧，崔梦雨，刘聪，王栋

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

针对上海地铁3、4号线列车运行能耗进行测试，分析列车牵引、惰行、制动工况下的牵引取流、牵引网网压、制动电阻电流、制动电阻电压与运行速度之间的关系，评估制动/牵引能耗比。以上海4号线为例对所选区间段进行建模仿真，再现列车运行和牵引、制动能耗过程，分析结果表明列车电阻制动能耗占牵引能耗的34.93%～55.71%，因此对制动能量通过回馈或存储的方式加以利用，其节能效果对我们国家的持续发展具有重要意义。

城市轨道车辆；牵引能耗；制动能耗

中国城市化进程加速，对城市轨道交通的需求也日益增加[1]。目前中国已有39座城市获批建设城市轨道交通，每年投资额近3 000亿元，市场空间巨大[2-4]。城市轨道交通作为名副其实的能耗大户，其节能工作是未来需要关注的一个重点领域，因此对城市轨道列车的牵引、制动能耗进行分析是十分必要的。城市轨道列车制动形式正逐渐由电阻制动转为再生制动[5-7]，列车制动能量的沿线分布、制动能量占牵引能耗的比例和数量对地面制动电阻、逆变回馈装置、储能式再生制动能量利用装置的容量和选址设计有着重要的作用[8-10]。国内外对制动能量的建模及仿真较多，有全线实测数据支撑的结论和研究较少。师蔚等[11]构建了城市轨道车辆电气制动能量建模及仿真，但并没有实测数据加以验证。Yang等[12]同样建立了城市轨道车辆电气制动能量仿真模型，并选取一段线路进行验证分析，但未考虑运行速度和线路条件的影响。本文以上海地铁3号线、4号线的列车能耗测试为例分析列车牵引和制动过程，评估制动/牵引能耗比，并通过仿真再现了列车的运行过程[13-14]。

1　测试背景

上海地铁3号线是一条以高架为主的地铁线路，由上海南站始发至江杨北站终点站，共设29座车站，全长40.3 km。上海地铁4号线为一条环状线，始发站为宜山路站，环绕一圈途径26座车站再回至宜山路站，该线全长33.6 km。上海地铁3号线、4号线列车均采用A型车，宽3 m，编组类型均为4动2拖6节编组，每列车配置4个制动电阻箱，均采用车载制动电阻消耗列车制动能量。其中4号线测试车辆总长为140 m，负载类型为AW3，总重368 t，其制动电阻箱的参数如表1所示。

表1　车载制动电阻箱参数

为了更好地研究列车的能耗情况及列车能耗与其他因素的关系，需要对列车的牵引取流、受电弓处牵引网网压、制动电阻电流、制动电阻电压和运行速度进行同步检测，具体测量方案如图1所示。在2处受电弓处(图1中方框表示)和4处制动电阻处(图1中圆圈表示)分别安装电压、电流传感器。在车底处安装多普勒雷达(图1中五角星表示)，测得列车的运行速度。数据通过城市轨道电能质量监测仪进行同步记录存储，并最终通过计算机软件进行数据分析处理。

图1　测试数据获取位置示意图Fig.1 Obtain location of Measured date

列车牵引取流和受电弓处牵引网网压的测试设备安装图片如图2所示。车载制动电阻流过的电流和两端电压的测试设备安装图片如图3所示。列车运行速度的测试设备(车底多普勒雷达)安装图片如图4所示。

列车2处受电弓取流分别为i1和i2，牵引网电压分别为u1和u2，四处制动电阻处测得的列车制动电流分别为iR1,iR2,iR3和iR4，制动电阻端电压分别为uR1,uR2,uR3和uR4，则牵引能耗的表达式如式(1)。

(1)

式中:为列车出发时刻，为列车运行时间。

制动电阻能耗表达式如式(2)：

(2)

本次测试在列车每站停车的情况下进行，模拟列车AW3负载工况下的驾驶状态。

2　测试结果分析

2.1区间能耗分析

上海地铁3号线测试结果如图2所示，该数据统计为列车由江杨北站出发至上海南站的测试结果。由各区间的能耗直方图可以看出，牵引能耗绝大部分都大于制动能耗，只有个别区间制动能耗与牵引能耗近乎相等。经统计，江杨北站至上海南站测试的列车全程运行平均速度为43.79 km/h，总牵引能耗为821.90 kWh(未考虑停站能耗)，总电阻制动能耗为428.82 kWh,制动电阻上消耗的能量相对牵引能量的比值为52.17%。

图2　上海地铁3号线各区间牵引、制动能耗直方图Fig.2 Shanghai Metro Line 3 interval consumption histogram of traction and braking

上海地铁4号线测试结果如图3所示，该数据统计为列车由宜山路站出发延内圈环线逆时针行驶一圈的测试结果。由图中各区间能耗直方图可以看出，仅有在虹桥路至宜山路区间，列车的制动能耗大于牵引能耗，其余区间列车的牵引能耗均大于制动能耗。经统计，列车在上海地铁4号线内圈的逆时针测试，列车全程运行平均速度为39.61 km/h，总牵引能耗为557.60 kWh(未考虑停站能耗)，总电阻制动能耗为231.87 kWh，制动电阻上消耗的能量相对牵引能量的比值为41.58%。

2.2区间特例分析

以上海地铁3号线铁力路至友谊路区间段的列车运行情况为例，分析上海地铁3号线列车的具体运行情况，其运行曲线如图4所示。列车在该区段运行时进行了4次牵引，2次连续制动，当列车牵引加速时，两处受电弓总取流经过4 s迅速提升至3 985 A，牵引网网压降落至1 314 V,大取流过程持续7 s后，列车惰行。T=94秒，列车速度由74 km/h，开始进站制动，经过41 s制动进站。经数据分析可知，列车在该区段的牵引能耗为53.85 kWh，制动电阻能耗为17.44 kWh。，并在该区间运行的第96 s，制动电阻流过的总电流达到3 671 A，牵引网网压被抬高至1 778～1 888 V范围内。

图3　上海地铁4号线各区间牵引、制动能耗直方图Fig.3 Shanghai Metro Line 4 interval consumption histogram of traction and braking

以上海地铁4号线特殊区段为例，分析列车在特殊线路条件区间内的运行情况，其中列车内圈逆时针运行时，由虹桥路开往至宜山路的运行曲线如图5所示。

图4　铁力路至友谊路列车运行曲线Fig.4 Train operation curve of Tieli road to Youyi road

图5　虹桥路-宜山路列车运行曲线Fig.5 Train operation curve of Hongqiao road to Yishan road

列车在该区间运行时，经过12 s的出站牵引，随后进入惰行工况，此时列车速度仍继续增长，列车在该区间运行的第89 s进行第一次制动，制动维持24 s，又在第123 s发生了8 s的区间制动，制动时牵引网网压被抬高至1 785 V。经数据分析可知，列车在该区间运行的总牵引能耗为4.67 kWh，总制动电阻能耗为15.45 kWh，制动能耗大于牵引能耗。该区间线路坡度信息如图9所示。虹桥路至宜山路方向，为连续长大下坡，列车惰行，势能转换为动能，速度上升。

图6　宜山路至虹桥路的线路坡度示意图Fig.6 Line slope schematic diagram of Yishan road to Hongqiao road

内圈顺时针运行时列车由宜山路开往至虹桥路的运行曲线如图10所示。

图7　宜山路-虹桥路列车运行曲线Fig.7 Train operation curve of Yishan road to Hongqiao road

列车在该区间段运行时进行了5次牵引，在该区间运行的第162 s发生了持续时间为10 s的进站制动，制动时牵引网网压被抬高至1 781 V。统计结果表明，列车在该区间运行的总牵引能耗为34.35 kWh，总制动电阻能耗为0.51 kWh。

2.3多次试验比较结果

对上海地铁3号线两次测试结果与4号线四次测试测试结果进行比较，对比结果如表2所示。

由表2可以看出，3号线制动/牵引能耗比较高，在52.17%～55.71%之间。4号线制动/牵引能耗比在34.93%～41.58%范围内。在线路条件几乎相当的条件下，列车平均速度越高，其牵引能耗也越高。如4号线逆时针方向运行时，平均速度增加7.67%，牵引能耗增加9.84%，顺时针方向运行时，平均速度增加5.59%，牵引能耗增加1.87%。

表2多次能耗测试的速度、能耗对比统计表

Table 2 Multiple comparison table of speedand energy consumption

测试内容全程平均速度/(km·h-1)牵引能耗/kWh制动电阻能耗/kWh制动/牵引能耗比/%3号线(江杨北-上海南)43.79821.90428.8252.173号线(江杨北-上海南)46.08895.45496.8855.714号线(内圈逆时针)39.61557.60231.8741.584号线(外圈逆时针)42.65612.44213.9534.934号线(外圈顺时针)35.81505.52183.7936.364号线(内圈顺时针)37.81514.99191.1237.11

3　列车运行仿真与实测比较

本文采用课题组开发的城市轨道直流牵引供电仿真软件DCTPS对上海地铁3号线、4号线的列车运行进行仿真[16-18]。DCTPS已经在国内7家轨道交通设计院投入使用，用于轨道交通的牵引供电系统设计。

列车处于牵引状态时，在启动过程中，加速度由0开始增加，受加速度受冲击限制的制约，并预测下一仿真时刻的速度。计算表达式如式(3)和式(4)所示。

A=A0+ΔA×Δt

(3)

v′=v+A×Δt

(4)

式中：A为每个仿真时间单元对应的加速度；A0为上一时刻的加速度值；ΔA为加速度冲击限制；Δt为仿真时间单元大小；v′为下一仿真时刻速度；v为当前速度。

根据启动过程加速度A，计算该加速度对应的列车单位合力c和总合力C和列车出力FT，如式(5)，式(6)和式(7)所示。并根据列车牵引力特性曲线，判断当前速度下列车最大出力是否满足要求。如果不满足，则按列车最大出力，重新计算加速度大小。

c=1 000(1+γ)A/g

(5)

C=cMg/1 000

(6)

FT=C+(w0+wj)Mg/1 000

式中：γ为转动惯量；g为重力加速度；M为列车重量，t；为基本阻力;wj为附加坡道阻力。

当列车处于惰行工况与制动工况时，其计算过程与牵引工基本相同，所不同的是单位合力的计算以及列车最大制动加速度下需要提供的制动力。

仿真过程中，牵引策略尽量模拟现场列车的实际运行情况，并将仿真结果与实测数据进行比较。驾驶策略采用目标速度模式，仿真过程中的相关参数设置如表3所示。

线路数据包括线路坡度、曲线和限速等。列车运行仿真器的计算过程如图8所示[18]。

表3　DCTPS仿真软件参数设置

图8　列车运行仿真器的计算流程图Fig.8 Calculation flowchart oftrain operation simulator

以上海地铁4号线内圈顺时针方向的大连路至杨树浦站和大木桥路至东安路站两个区间段为例。大连路至杨树浦站、大木桥路至东安路站的仿真与实测的速度曲线如图9所示。

大连路至杨树浦站和大木桥路至东安路站的实测数据与仿真结果的对比如表4所示。仿真过程中选用的牵引策略与真实司机驾驶过程始终有差异，牵引能耗的误差在7%左右，制动能耗计算误差在15%左右，制动/牵引能耗比误差在10%左右。

图9　大木桥路至东安路站的仿真与实测速度对比图Fig.9 Simulation and measured speed comparison chart of Dabenqiao road to Dongan road

Table 4 Simulation and measured date comparison table of Dabenqiao road to Dongan road

大木桥路—东安路内容实测数据仿真结果误差/%平均速度/km·h-1)37.2843.3016.15牵引能耗/kWh16.6717.756.48制动能耗/kWh5.206.1217.69制动/牵引能耗比/%31.1934.4810.54%大连路—杨树浦站内容实测数据仿真结果误差/%平均速度/(km·h-1)34.3639.1914.06牵引能耗/kWh18.4319.907.98制动能耗/kWh8.058.242.36制动/牵引能耗比/%43.6841.415.20

4　结论

1)通过对上海地铁3号线和4号线的能耗进行测试分析，地铁车辆在制动过程中消耗在制动电阻上的能量占牵引能量的34.93%～55.71%。牵引和制动能耗与线路条件、司机驾驶策略等密切相关。

2)将列车实际运行过程通过城市轨道直流牵引供电仿真软件DCTPS进行模拟再现，牵引能耗最大误差7.98%，制动能耗最大误差17.69%，制动/牵引能耗比最大误差10.54%。误差的产生与线路条件、实际运行阻力及列车牵引策略的选取有关，无法完全模拟司机的驾驶状态。

3)与纯电阻制动方式相比，列车采用再生制动所产生的能量优先给临近列车吸收，剩余再生制动能量需要通过地面制动电阻、逆变回馈装置或者储能装置加以利用，经济性有了很大提升。

4)下阶段将在以下方面开展研究工作：实测逆变回馈装置的节能效果；结合列车能耗测试分析结果、列车运行图，对供电系统进行仿真，优化再生制动能量利用装置的系统设计。

[1]杨秋娟. 关于我国城市大力发展轨道交通必要性的研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2001, 19(3): 104-108.

YANG Qiujuan. Research on the necessity to energetically develop urban transit in China. Journal of Railway Science and Engineering. 2001, 19(3): 104-108.

[2]中国城市轨道交通协会城市轨道交通2014年度统计分析报告[R]. 都市快轨交通, 2015(03)：25-32.

Association of Urban Rail Transit Publishedurban. Rail transit 2014 statistical analysis reports[R].Urban rapid rail transit,2015(03).

[3]张琛, 李超, 贺力霞, 等. 2014 年中国城市轨道交通运营线路统计与分析[J]. 都市快轨交通, 2015 (1): 1-3.

ZHANG Chen,LI Chao,HE Lixia,et al,The statistics and analysis of 2014 years china urban rail transit operation line[J],Urban Rapid Rail Transit,2015 (1): 1-3.

[4]刘仲, 顾保南, 孙世超, 等. 2014 年中国城市轨道交通运营线路统计和分析——中国城市轨道交通 “年报快递” 之二[J]. 城市轨道交通研究, 2015, 18(1): 1-6.

LIU Zhong,GU Baonan,SUN Shichao,et al.2014 years China’s urban rail transit line statistic and analysis of urban rail transit in China “report delivery” bis [J].Urban Mass Transit,2015, 18(1): 1-6.

[5]向睿. 交通能耗在城市绿色交通规划中的应用[D]. 成都：西南交通大学, 2011.

XIANG Rui.Transportation energy consumption application in planning of urban green transportation[D],Chengdu Southwest Jiaotong University，2011.

[6]杨俭, 李发扬, 宋瑞刚, 等. 城市轨道交通车辆制动能量回收技术现状及研究进展[J]. 铁道学报, 2011(11)：27-32.

YANG Jian,LI Fayang,SONG Ruigang,et al,Urban rail transit vehicle braking energy recovery technology and research progress[J], Journal of the China Railway Society,2011(11)：27-32.

[7]鲁玉桐, 赵小皓, 赵叶辉. 再生制动能量吸收装置在北京地铁中的应用[J]. 都市快轨交通, 2014 (4)：55-57.

LU Yutong,ZHAO Xiaohao,ZHAO Yehui.The application of the regenerative energy absorption system in Beijing subway[J].Urban Rapid Rail Transit,2014(4)：55-57.

[8]许爱国, 谢少军, 姚远, 等. 基于超级电容的城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统[J]. 电工技术学报, 2010, 25(3): 117-123.

XU Aiguo,XIE Shaojun,YAO Yuan,et al.Based on super capacitor regenerative braking energy absorption system for urban rail transit vehicles[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010, 25(3): 117-123.

[9]曾建军, 林知明, 张建德. 地铁制动能量分析及再生技术研究[J]. 电气化铁道, 2007 (6): 33-36.

ZENG Jianjun,LIN Zhiming,ZHANG Jiande .Urban rail transit braking energy regeneration technology analysis and research[J].Electric Railway, 2007 (6): 33-36.

[10]连鹏飞. 深圳地铁 2 号线工程再生制动能量吸收装置设置方案研究[J]. 铁道工程学报, 2007 (6)：151-157.

LIAN Pengfei.Shen zhen Metro line 2 of regenerative braking energy absorption devices setting research[J].Journal of Railway Engineering.2007 (6)：151-157.

[11]师蔚, 方宇. 城市轨道车辆电气制动能量建模及仿真[J]. 机车电传动, 2011 (1): 47-51.

SHI Wei, FANG Yu. Modeling and simulation of urabn rail vehicles braking energy[J]. Locomotive Electric Drive,2011 (1): 47-51.

[12]Yang J, Hou Y, Song R, et al. Modeling and analysis of the electrical braking energy of urban railway vehicles[J]. Simulatlon, 2015, 91(11): 989-997.

[13]Yang X, Li X, Ning B, et al. A Survey on Energy-efficient train operation for urban rail transit[J].Urban Rapid Rail Transit,2014(5):31-35.

[14]Hu P, Chen R, Li H, et al. Train operation traction energy calculation and saving in urban rail transit system[C]//Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC), 2012 Second International Conference on. IEEE, 2012: 505-507.

[15]宋瑞刚, 杨俭, 方宇. 城市轨道车辆牵引动态特性建模与实验系统研究[J]. 铁道学报, 2012, 34(7): 36-42.

SONG Ruigang, YANG Jian,FANG Yu, The dynamic characteristics modeling and experiment research of urban rail vehicle traction system[J]. Journal of the China Railway Society, 2012, 34(7): 36-42.

[16]刘炜, 李群湛, 郭蕾, 等. 基于多种群遗传算法的城轨列车节能运行优化研究[J]. 系统仿真学报, 2010 (4): 921-925.

LIU Wei,LI Qunzhan,GUO Lei,et al.Based on multiple-population genetic algorithm research on optimization of urban railway train operation[J].Journal of System Simulation,2010 (4): 921-925.

[17]刘炜, 李群湛. 地铁牵引仿真计算中的牵引策略研究[J]. 机车电传动, 2006 (1): 46-49.

LIU Wei,LI Qunzhan.Policy research on simulation of metro tranction[J].Locomotive Electric Drive,2006 (1): 46-49.

[18]刘炜. 城市轨道交通列车运行过程优化及牵引供电系统动态仿真[D]. 成都: 西南交通大学, 2009.

LIU Wei.Research on optimization of urban raiway train control and dynamic simulation of traction power supply system[D]. Chengdu:Southwest Jiaotong University，2009.

The analysis on the measured traction energy consumption and braking energy consumption of urban rail transit

XU Lingli，LIU Wei，LIAO Jun，CUI Mengyu，LIU Cong，WANG Dong

(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031 ,China)

This paper analyses the relationship between traction current、traction network voltage、braking resistance current、braking resistance voltage and running speed under the traction、idle running and braking condition about the running energy consumption test of the shanghai metro line 3、4,and evaluates the ratio of braking and traction energy consumption. Meanwhile, take shanghai metro line 4 selected intervals for example to model and simulate, reappearing the traction and braking energy consumption process. The analysis results show that the ratio of braking and traction energy consumption in the range of 34.93%～55.71%.Thus, it’s a great significance to the sustainable development of our country which recycles the braking resistance consumption by the way of feedback or storage.

urban rail vehicle;traction n energy consumption; brakingenergy consumption

2015-12-21

中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2014J009-B)

刘炜(1982-)，男，湖南益阳人，副教授，博士，从事城市轨道交通牵引供电研究；E-mail：liuwei_8208@swjtu.cn

U268

A

1672-7029(2016)09-1818-07