列车操控模式对列车能耗的影响

王彦峥

0 引言

新中国成立60 年来，国内的城市轨道交通从无到有，从单一线路到四通八达，实现了跨越式发展。进入21 世纪以来，随着国家经济的飞速发展和城市化进程的加快，城市轨道交通也得到长足发展。截至2013 年6 月，内地15 座城市已建成运营的数十条城市轨道交通线路运营里程已达1 986 km。目前城市轨道交通发展最快的京、沪、穗三地的运营里程都已突破千公里，其中运营里程最长的上海已达473 km 以上，北京已达456 km，广州地铁也超过240 km。至2020 年，京、沪、穗三地的城市轨道交通运营里程都将超过500 km。目前还有诸多城市的轨道交通正在规划和设计之中，而3 大城市轨道交通的远景规划都有望突破1 000 km。

大规模的地铁项目的运营，需要巨大的电能消耗和强大的电力系统支持。地铁系统的最重要的电能消耗就是列车，对列车的能耗使用情况进行分析研究，不论在设计阶段还是运营阶段都是十分重要的，它直接或间接影响整个系统设计的科学准确性和未来数十年甚至百年的运营的经济性。本文将从列车运行操控模式方面对列车能耗进行分析，以期引起重视并提出合理化建议。

目前国内地铁普遍采用的列车操控模式主要有2 种：一种是采用牵引-惰性-制动的控制模式（以下简称惰行模式），另一种是采用牵引-巡航-制动的模式（以下简称巡航模式）。这2 种操控模式在国内地铁均有应用，已建的大部分地铁采用惰行模式运行，深圳地铁1 号线、4 号线以及香港地铁采用巡航模式运行。从乘客舒适度看，巡航模式下列车运行更平稳，乘客舒适度更好，更有利于列车智能控制；从能耗角度看，巡航模式下由于不能很好的利用线路势能，单列车的牵引能耗一般相对较高、制动能量也相应增大。本文主要从能耗的角度对本线的列车运行模式进行分析并提出建议。

1 不同操控模式下的系统能耗分析

为使不同列车操控模式下的系统能耗对比更量化、更清晰，可以使用专业的计算机仿真软件对选定的某地铁工程案例进行典型性的案例分析。下文利用专业仿真软件结合工程案例对2 种操控模式下的列车能耗情况进行模拟和统计对比分析。

1.1 不同操控模式下的列车能耗统计及分析

利用列车运行模拟软件，对2 种操控模式下的列车运行进行模拟，其模拟结果能耗对比见表1。

表1 2 种操控模式下列车能耗对照表

图1 显示了某案例工程的一个典型区间中，在2 种操控模式下列车运行曲线。可以看出，巡航模式下，列车取电时间和再生电流持续时间都更长。

图1 不同操控模式下列车运行曲线图

从表1 的统计结果可以看出，巡航模式单列车的牵引能耗相对较高，但其制动能量也有所增高。过去列车采用直流斩波电机（如北京地铁1 号线的老车辆），列车无法实现再生制动，列车制动能量无法向牵引网反馈，列车的牵引能耗直接决定整个地铁的系统牵引耗电。在该情况下，列车的操控模式对系统的能耗影响较大，从表1 可以看出，巡航模式的牵引耗电是惰行模式下的1.23 倍，能耗相差较大。目前国内地铁车辆均已采用具有再生制动功能的VVVF 车辆，直流牵引系统全线贯通为一体，列车制动能量很大部分会被相邻的列车利用，因此单列车的列车运行模拟结果并不能真实反映整个系统的能耗差异，应该从全线、全系统的角度进行全线牵引供电网络仿真计算和分析。据此，下文对2 种列车操控模式下的全线供电系统进行不同运营时期的仿真计算，并进行统计分析。

1.2 不同操控模式下的馈出功率统计及分析

目前地铁已经普遍采用VVVF 车辆，可以将列车再生制动能量向牵引网反馈，因此供电系统仿真计算过程中应充分考虑列车再生能量在牵引网中的分布。而要做好列车运行能耗的分析，不仅要对列车的运行进行仿真模拟，还要在列车运行模拟基础之上利用牵引供电系统仿真软件分别对2 种操控模式的全线牵引供电系统的能耗分布情况进行模拟分析，才能使分析的结论更切合目前轨道交通的实际情况。鉴于此，对全线各种追踪间隔下供电系统的牵引所馈出功率统计如表2 所示。

从表2 可以看出，考虑VVVF 车辆的再生制动功能后，采用惰性操控模式相对巡航操控模式更节能；在列车密度较低时，惰行模式比巡航模式的节能效果更佳；列车高密度运行时，巡航模式的节能效果并不十分明显。这主要是因为在列车密度较高时，再生能量被相邻列车吸收的比例较高，虽然巡航模式的纯牵引耗电较高，但相应的再生能量也较高，因此远期列车密度较高时，巡航模式的系统牵引总能耗增加并不明显，而初、近期及非高峰时段则比较明显。

地铁列车的开行方案特点是早晚高峰小时列车密度高，其余时段列车密度低，全天各时段的列车开行密度呈双驼峰分布。根据案例工程各运营年度的列车开行方案，分别对2 种操控模式下供电系统在各种列车追踪间隔下的系统馈出能量分布情况进行仿真模拟，结合不同运营期全日各时段的列车密度统计各运营阶段的2 种操控模式下系统年牵引耗电情况如表3 所示。

从表3 统计数据可以看出，采用惰行模式具有较好的节能效果。

表2 2 种列车操控模式下，牵引所总馈出功率比较表

表3 各运营阶段的2 种操控模式下系统年牵引耗电情况表

2 结论与建议

根据上述模拟统计数据和分析，初步得到以下结论：

（1）当地铁采用无再生功能的车辆时，从列车运行模拟的统计结果看，采用巡航操控模式的系统能耗高于惰行操控模式23%；初步估算采用巡航操控模式远期每年案例工程将增加电费约2000 万元。因此，在地铁采用无再生功能的车辆时，从节能减排、节省运营费的角度出发，采用惰行操控模式控制列车运行具有较好的经济性。

（2）当地铁采用有再生功能的车辆时，从案例工程的牵引供电系统仿真结果看，采用惰行模式，在各运营年度均有一定的节能效果。对各种列车追踪间隔下变电所馈出功率统计结果看，惰行模式在列车密度较小时，其节能效果更明显。结合各年度列车开行计划下的模拟结果进行统计，运营期列车若采用惰行模式操控运行，相对巡航操控模式，每年电能节省约450～500 万度；按照每度电0.7 元估算，采用惰行模式年节约电费约315～350万元；按照30 年统计，约节约电能1.38 亿度，按照目前电价估算，30 年约节约运营成本0.97 亿元。

因此，在地铁采用有再生功能的车辆时，从节约运营费用的角度考虑，建议列车采用惰行模式运行。

[1] GB50157-2003 地铁设计规范[S].

[2] TB/T1407-1998 列车牵引计算规程[S].