现代有轨电车西郊线车辆能耗分析

刘燕明 莘云峰 付海龙 王 平

（北京公交有轨电车有限公司西郊线分公司，北京 100080）

引言

近年来，我国城市轨道交通正处于大规模发展时期，现代有轨电车凭借载客量适中、安全舒适、快速便捷、节能降噪等特点逐渐成为一种新的出行方式[1]。西郊线是北京第一条现代有轨电车线路，独立路权不受交通拥堵影响，信号优先节约了乘客乘车时间等，体现了现代有轨电车的优势。在享受以上便利的同时，有轨电车公司更关注电车的能量消耗，因此，分析并研究现代有轨电车的能量消耗是非常必要的。

1 现代有轨电车的基本概况

1.1 线路基本条件

西郊线有轨电车车辆全长32.35m，全程共8.8km，设6座车站，列车额定供电750V，正线线路最大坡度56‰，正线最小曲线半径60m，西郊线有轨电车站停少，站间距短，线路曲线多、半径小，坡度大。

1.2 车辆能耗组成

有轨电车能耗分为列车牵引能耗、辅助能耗及其它能耗三个部分[2]。车辆通过接触网取电，一部分经过牵引系统为车辆提供动力。另外一部分经过辅助系统提供车辆必需的DC24V和AC380V电源。西郊线全列车共四台电机，每台电机功率106kW，总共424kW，占整列车辆约80%的电力能耗。

1.3 基本原理

由于西郊线路坡道、弯道以及路口较多，车辆运行时需频繁地牵引、制动控制车速，其能量消耗和反馈相当可观。制动分为电制动、液压制动和磁轨制动三种，车辆制动初始阶段采用电制动，电制动包含电阻制动和再生制动。电制动时电机处于发电状态，产生制动转矩，转速下降[3]。若该过程将动能转化为电能反馈送入电网，可以给同一供电区段相邻车辆使用，称为再生制动。若这部分能量使网压抬升到一定值（1000V）时，电网不能再吸收，此时控制系统会接通制动斩波电路，利用制动电阻将电能消耗，同时制动能量被浪费，称为电阻制动。制动电阻基本情况见表1。

表1 西郊线制动电阻基本情况

2 数据采集

2.1 数据采集时间

西郊线平均发车间隔为6min，由于司机操作方式不同，所以运行、制动时间点、次数也不相同。每年的桃花节、红叶节乘客数量要比平日成指数增加，因此，能量消耗数据的采集分别在客流高峰和低峰运行时进行（表2）。

2.2 信号采样

西郊线有轨电车为5节编组，MA-RA-P-RB-MB，其中MA和MB为2个动车，RA和RB为2个悬浮车，P车为带受电弓的拖车。全列车共4个牵引电机，牵引电机有独立的牵引电路，每个控制单元都有相应数据信号采集接口，通过这些信号的采集，经过矢量控制算法，实现转子磁通和电机扭矩的单独控制，从而精准控制逆变器的闭合，最终精准控制电机运行。

图1为列车牵引主电路，信号UC、I1、IR采集点如图标注所示。信号采集点意义见表3。

表2 数据采集时间

表3 信号采集点意义

3 计算方法

3.1 概念

（1）牵引系统输入能耗（E输入）：列车在区间运行时牵引系统从电网取得的总电能，即

图1 电路采集点

式中，t1和t2为运行时间；UC为输入电压；I1为输入电流。

（2）再生制动馈入电网电能（E再生制动）：列车在区间运行时通过再生制动反馈进电网的电能，即

式中，t1和t2为运行时间；UC为输出电压；-I1为输出电流。

（3）制动电阻能耗（E制动电阻）：制动斩波相开通时在制动电阻上消耗的能量。

式中，t1和t2为运行时间；IR为制动电阻电流；R为制动电阻。

（4）实际牵引电能（E实际牵引）：列车在区间运行时牵引系统实际消耗的电能，即

（5）再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率（α），即

含义：牵引时，牵引系统吸收电网电能，将其转化为列车动能；制动期间，把列车动能转化为电能；公式（5）定量反映了能量转移到电网的情况。

（6）制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率（ ），即

含义：从电网角度来说可以认为没有被反馈回电网的能量全部被列车吸收；对于车辆而言，大部分用于牵引、制动的过程消耗，一小部分被制动电阻消耗。公式（6）反映了用于制动电阻的能量消耗与列车整个过程消耗的关系，定量体现了制动电阻的价值[4]。

4 能耗测试数据

车辆运行过程中，通过IDU以及车辆ERM数据计算得到表4 -表7。因为司机对车辆的操作差异，因此对高峰和低峰的车辆数据进行多次采样，确保数据准确。其中香山到巴沟为上行线路，巴沟到香山为下行线路。

表4 高峰期间列车下行测量数据 （kW·h）

表5 高峰期间列车上行测量数据 （kW·h）

表6 低峰期间列车下行测量数据 （kW·h）

表7 低峰期间列车上行测量数据 （kW·h）

5 测量结果及其分析

将以上数据带入公式（5）和公式（6），经计算得到数据对比如图2所示。

图2 数据对比图

通过数据分析表明：

（1）通过对载客数量高峰、低峰期的能耗数据对比，载客量是影响车辆牵引能耗的重要因素[5]，高峰期牵引能耗明显高于低峰期的牵引能耗。

（2）虽然载客量不同，但是制动电阻的实际工作次数较少，所以制动电阻能量消耗没有发生明显变化。

（3）通过对车辆运行数据统计，车辆上行香山至植物园站间，由于线路处于下坡路段，车速限制，车辆呈制动状态，电机处于发电工作阶段，相对其它站有所不同，此时回馈电网能量大于牵引消耗能量。

（4）综合表4 -表7数据，列车“牵引系统输入能量”在整个线路上下行过程中，制动有大约41.35%能量反馈回电网，在“列车实际牵引电能”中有大约0.3%被制动电阻消耗。列车约58.7%的输入能量在其运行过程中用于列车牵引、制动等消耗，这与行驶线路、部件配合、牵引系统的工作效率有关。从能源损失的角度看，在合理安排行车的情况下，车辆起动和制动配合到位，反馈回电网的能源，可以被其他车辆吸收利用，反馈回电网上的能量不会被浪费，可以提高电能利用率，减少电能消耗[6]。

6 结论

目前西郊线有轨电车牵引部分消耗了大部分电能用于牵引、惰性、制动各阶段的系统消耗。车辆反馈制动效果明显，如果列车反馈制动时，同一供电区间内恰好有其他列车处于牵引状态，那么列车反馈的能量可以被吸收利用，反馈制动也能起到很好的效果；制动电阻消耗的能量很少，没有造成过多能源浪费，虽然目前制动电阻的作用不大，但是它并不能被取代。