日本基于列车运行能耗模拟器的节能技术效果预测

1 引言

电气化铁路利用接触网为列车提供运行所需的电能。在能源供应日趋紧张的今天，节能降耗成为铁路相关技术发展的大趋势。其中具有代表性的是再生制动技术，该技术可将列车制动时的动能转化为电能，并将电能反向回馈给接触网。此外，通过改变供电设备构造以减小供电回路电阻、通过提高车载设备效能以降低能耗等措施也是研究的重点。

相关节能技术种类繁多，而且每种技术的费用和效果均不相同，加之其实际节能效果会随着节能设备使用场所及线路条件的不同而变化，因此研究如何利用有限的预算从诸多节能技术中筛选出效果最佳的方案，至关重要。

为此，日本铁道综合技术研究所（以下简称“铁道综研”）开发了一种可模拟和预测大多数种类列车运行能耗的列车运行能耗模拟器。本文将对该模拟器进行介绍，并以再生制动节能技术为例，利用该模拟器分析和预测其引入效果。

2 列车运行能耗模拟器构造及功能

列车运行能耗模拟器是一套模拟仿真设备，通过模拟直流电气化铁路列车的运行来计算其消耗的电能，其构造和功能如图1所示。该模拟器包含运行管理单元、馈电回路计算单元、车辆计算单元、运行曲线计算单元4部分。运行管理单元负责按照设定的列车运行时刻表模拟列车发车，并调用和管理3个计算单元；运行曲线计算单元负责在模拟列车发车后，计算列车加速度及位置，生成列车运行曲线并根据牵引力的变化对其进行调整，以及决定列车的牵引、惰行、制动等运行状态；车辆计算单元通过求解运动方程计算出列车的牵引力和制动力，并计算接触网电流，其计算结果将辅助列车运行曲线的生成和调整，以及接触网电压的计算；馈电回路计算单元根据运行曲线计算单元得出的列车位置及车辆计算单元得出的接触网电流，通过求解电路方程计算出接触网电压，并将电压计算结果反馈给车辆计算单元，辅助其计算接触网电流。在列车运行过程中，牵引力会随着接触网电压的变化而变化，而接触网电压则会随着列车位置、列车运行时刻表及运行曲线的变化而产生波动。由此可知，上述因素是相互影响、相互依赖的。

列车运行能耗模拟器具有评价列车运行能耗、优化列车运行曲线的功能，如图2所示。列车运行曲线对于列车能耗计算有至关重要的影响。该模拟器可根据指定的区间运行时间制作接近列车实际运行方式的列车运行曲线，并对相关能耗进行评价，从而达到优化列车运行曲线的目的。具体操作方式是：首先制作出区间运行用时最短的标准列车运行曲线，然后通过依次插入适当的惰行距离以匹配指定的区间运行时间，最终得出更经济、节能的列车运行曲线。

列车运行能耗分为2类，即用于列车牵引制动的主电路能耗，以及用于车内照明、空调等辅助设备的辅助电路能耗。其中，空调系统能耗随着季节变化会有很大的波动，因此在计算时必须考虑季节变化的因素。辅助电路能耗随室外温度的变化趋势如图3所示。由图可知，室外温度低时开放暖气、室外温度高时使用空调制冷会导致辅助电路能耗增大。

列车运行能耗模拟器是经过多次测量试验及验证开发而成的。图4中的列车运行能耗验证数据就是经1年多测量所积累的经验数据。由图可知，除室外温度变化外，还有其他因素导致列车运行能耗波动，尽管如此，模拟器的计算值仍分布在测量平均值附近，证明其模拟结果具有相当高的可靠性。

3 再生制动相关节能技术

再生制动技术节能的原理如图5所示，列车再生制动产生的电能可通过接触网灵活调剂给附近正处于牵引状态、需要消耗电能的其他列车。但如果线路行车密度较低，列车之间距离较远，或者由于线路存在连续小半径曲线、连续下坡等情况导致列车需要连续制动，则再生制动产生的电能有可能无法被充分利用。在此种情况下，若是在直流电气化区间，为防止接触网电压被抬升得过高，列车需要减少甚至停止使用再生制动，改用空气制动来减速，这被称为再生制动失效。如果能够降低再生制动失效的发生频率，则可实现进一步的节能。

为此，诸多的节能技术应运而生：在直流电气化线路的变电所等供电设施内加装用于储存再生电能的储能装置及再生电能专用逆变器，以使车站环控、照明等设备能够利用再生电能；此外，为将再生电能有效调剂给远处的列车使用，可在列车上搭载再生电能集中控制设备，以协调列车间的供用电关系。

4 节能技术引入效果预测

列车运行能耗模拟器是以模拟、再现、研究上述再生制动失效现象为目的而开发的模拟系统，可预测节能技术的引入效果。下面将以储能装置和新型节能车辆引入效果预测作为案例进行说明。

4.1 储能装置节能效果

再生制动失效现象通常在空调负荷较低的春秋季发生，这意味着以抑制再生制动失效为目标的储能装置的节能效果在春秋季优于冬夏季。因此，在评估储能装置的节能效果时，需要考虑空调负荷的季节性变化。铁道综研首先利用列车运行能耗模拟器，针对安装及未安装储能装置的线路进行了3种不同空调负荷模式的模拟，并计算出各模式对应的1天能耗量，如图6所示；然后，根据从气象厅数据库中获得的室外温度实测值，计算出各空调负荷模式在1年中的使用天数，如图7所示；最后将各空调负荷模式的1天能耗量与使用天数相乘，即可计算出1年的能耗总量，如图8所示。由图可知，安装储能装置线路的1年能耗量总体低于未安装线路，储能装置的引入有助于线路节能。

4.2 新型节能车辆节能效果

下面将介绍搭载更节能牵引电机和逆变器的新型车辆节能效果预测案例。

在列车加速性能提升的条件下，其运行模式大致分为以下2种：一种是通过提高加速性能，缩短运行时间，即省时运行模式，如图9a所示；另一种是起动时采用高加速度，并在满足区间运行时间的前提下尽早停止加速，延长惰行时间，即节能运行模式，如图9b所示。采取运行模式不同，则能耗也各异，因此在对列车能耗进行评估之前需要为其设定适当的运行模式。对于搭载更节能设备的新型车辆而言，评估其节能效果不仅需要设置其运行模式，还要考虑机器设备效率的提高，即应妥善评价节能效果是运行模式改变还是机器设备效率提高所带来的。

为此，铁道综研利用列车运行能耗模拟器，将现有车辆正常行驶、新型车辆采用省时运行模式、新型车辆采用节能运行模式3种情况下的能耗进行对比，计算结果如图10、图11所示。由图可知，新型车辆即使采用省时运行模式，能耗也较低；若采用节能运行模式，则能耗将进一步降低。