发车时间间隔对深圳地铁车辆再生制动节能的影响

黄尊地，傅思良，常宁，陈远生，温健，苏进磊



发车时间间隔对深圳地铁车辆再生制动节能的影响

黄尊地1，傅思良2，常宁1，陈远生1，温健1，苏进磊1

（1. 五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020 2. 深圳市地铁集团有限公司运营总部，广东 深圳 518040）

为了更好地提高城市轨道交通车辆的能源利用率，本文基于深圳地铁一号线车辆和路线的真实数据，建立了同一供电臂下车辆质量及其力学模型、列车牵引与制动功率模型、列车牵引力及制动力模型，以及列车供电网络模型，基于发车时间间隔，对车辆再生制动节能进行研究. 经MATLAB中SIMULINK仿真运算，得到以下结论：同一供电臂下，两车追踪时间为或时，能量利用率较高，且对接触网的冲击电压较低，牵引变电所消耗功率较低. 综合考虑深圳地铁一号线终点站或区域站车辆折返时间为左右，建议发车时间间隔为.

城市轨道交通车辆；发车时间间隔；再生制动；能量利用率

城市轨道交通站间距短、客流量大，列车需要频繁启动和制动，会消耗大量的电能. 目前常用的制动形式分为摩擦制动和动力制动，摩擦制动包括踏面闸瓦制动和盘形制动，动力制动包括再生制动和电阻制动[1-2]. 如果车辆频繁制动都完全采用摩擦制动，则会消耗大量的城市电能[3-4]. 动力制动能量的吸收方式主要有耗散式、能馈式和储能式3种，我国城市地铁动力制动多数采用耗散式，即用电阻消耗多余能量，如深圳地铁一号线发车时间间隔为240 s或360 s，采用的基本都是电阻制动. 但是，目前我国再生制动的能量有效利用率较低，如广州地铁一号线列车发车时间间距为360 s，再生制动能量的吸收利用率为仅10%[5]；

如果在同一供电臂内同时有若干列车启动、运行或制动，列车再生制动的大部分能量可以被其他列车吸收. 若没有其他列车启动或运行，列车再生制动产生的电能则会反馈到电网. 能馈式再生制动吸收方式就是用逆变装置将其他列车没有利用的能量返回到交流电网中，再提供给用电设备或其他列车使用. 若反馈电压超出变电站的电压，则多余电能可被存储. 但反馈电压对交流电网有冲击影响，包括谐波问题和频率问题等，储能电压也要考虑储能装置的效率和造价问题，因此追踪列车的运行情况对再生制动能量的利用有着重要的意义. 本文通过对深圳地铁一号线车辆和线路真实数据的研究[6-8]，以期得到最佳的发车时间间隔，从而有效提高列车再生制动能量的利用率.

1 数学模型

1.1 列车编组及重量

城市轨道交通的列车主要有3种编组模式：两动两拖、四动两拖、六动两拖[9]. 本文研究的深圳地铁1号线列车采用四动两拖编组，主要由A车、B车和C车组成. A车是带司机室的拖车，B车是带电弓的动车，C车是不带受电弓的动车.

依据列车的编组形式、列车各车的重量以及各列车的定员人数，可以准确地计算出列车整体的质量. 计算公式为：

1.2 列车运行阻力

西门子公司用于深圳地铁1号线车辆的阻力计算公式为[7]：

1.3 牵引策略

列车频繁启动与制动，且要满足平稳舒适与停站位置准确的要求，牵引策略至关重要. 常用的3种牵引策略分别为最快速度策略、最经济策略和理想策略[10]. 本文研究对象采用最快速度策略，最快速度策略是以最短时间走完两站之间的距离，这就要求牵引（制动）时有最大加（减）速度，即要求具有最大的牵引力和制动力矩. 制动时，优先采用动力制动，制动力不足以提供最大的加速度时，要增加空气制动补足制动力.

1.4 力学模型

深圳地铁1号线采取最快速度策略后，其运行可分为恒加速度运行、恒功率运行、匀速运行和恒减速度运行4个阶段.

1.5 供电系统模型

供电系统包括牵引变电所、接触网、回流线、馈电线、钢轨和电分段等组成部分，其中接触网、回流线、馈电线和钢轨又称为牵引网[1].

1）牵引变电所等效模型

在进行直流牵引供电系统的运行仿真时，牵引变电所宜按戴维南或诺顿等效电路建模. 在戴维南等效电路中，牵引变电所用等效内电阻与相串联来表示，计算公式为：

2）牵引网等效模型

以正常双边供电方式建立数学模型，为了方便从供电系统的角度研究列车再生制动能量，因此仅取其供电系统中的一个供电臂作研究. 对牵引网作以下假设：2辆列车；2个牵引变电所，供电站之间间距取典型值3 km；3个站台，站台之间距离1.5 km，以此为基础建立牵引供电网络的数学模型，如图1所示.

图1 牵引网的数学模型

其中，

，.

2 单车模型仿真分析

根据以上数学模型，基于MATLAB中SIMULINK模块对深圳地铁1号线的进行仿真. 图2是列车牵引制动参数随运行时间变化曲线图，综合起来看列车经过恒力矩、恒功率、匀速运行和制动等4个阶段. 恒加速时间是，整个加速过程接近，制动过程接近，最后完全停车是靠空气制动. 在图2-d中，启动期间从电网中吸收的最大功率为，再生制动产生的最大功率为. 考虑到长期的负荷，深圳地铁1号线设置的逆变机组的总供电量为. 列车从启动到制动期间从电网吸收的总能量为，再生制动产生的能量为，再生制动产生的能量约占电网消耗的能量的76.6%.

图2 列车牵引制动参数随运行时间变化曲线图

由以上结论可知，再生制动能量的回馈利用潜力很大，但影响再生制动能量的回馈利用的因素有很多，包括列车质量、基本阻力、曲线通过、隧道风阻力、牵引策略、电机参数、牵引网络及列车在同一供电臂的追踪运行时间间隔等. 其中，结合深圳地铁的运营状况，改变列车在同一供电臂内的追踪运行时间，是提高再生制动能量利用率最有效的一个方法.

3 列车追踪节能分析

本文主要从5种不同追踪时间中分析列车再生制动能量利用率最佳的追踪时间，图3至图7为列车发车时间间隔为30 s、60 s、90 s、120 s和150 s的分析图.

图3 列车发车时间间隔为30 s时追踪节能分析

图4 列车发车时间间隔为60 s时追踪节能分析

图5 列车发车时间间隔为90 s时追踪节能分析

图6 列车发车时间间隔为120 s时追踪节能分析

图7 列车发车时间间隔为150 s时追踪节能分析

通过以上分析，各发车时间间隔下，列车运行中接触网的电压值和变电站消耗的功率等参数如表1所示.

表1 各发车间隔时间下接触网及变电站参数变化表

4 结论

本文基于深圳地铁一号线车辆和线路的真实数据，建立列车质量及力学模型、列车牵引与制动功率模型、列车牵引力及制动力模型和列车供电网络模型，并结合深圳地铁现状的运营状况，通过改变列车在同一供电臂内的追踪运行时间，提高再生制动能量的利用率. 理论上60 s时再生制动的能量利用率最高，但考虑到终点站车辆折返需要时间为90 s左右，建议深圳地铁一号线最佳的发车时间间隔为180 s.

[1] 谭复兴. 城市轨道交通概论[M]. 北京：中国铁道出版社，2013: 238-248, 265-292.

[2] 马琪. 国产地铁车辆制动系统[J]. 都市快轨交通，2004, 17（增刊）：101-110.

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[4] 王彦峥，苏鹏程. 城市轨道交通再生电能回收技术方案的研究[J]. 电气化铁道，2004(2): 37-40.

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[8] 屈海洋，高春宏. 深圳地铁一号线续建工程车辆介绍[J]. 电力机车与城轨车辆，2009, 32(5): 5-9.

[9] 唐明辉，王健全，徐国梁. 城市轨道交通列车编组形式与牵引电机的选择[J]. 机车电传动，2005(5): 50-53.

[10] 石红国，彭其渊，郭寒英. 城市轨道交通牵引计算算法[J]. 交通运输工程学报，2004, 4(3): 30-33.

[责任编辑：韦 韬]

Research on Regenerative Braking Energy Saving for Shenzhen Metro Vehicles Based on Departing Time Interval

HUANGZun-di1, FUSi-liang2, CHANGNing1, CHENYuan-sheng1, WENJian1, SUJin-lei1

(1. School of Railway Tracks and Transportation, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Operation Headquarter of Shenzhen Metro Group Co., Ltd, Shenzhen 518040, China)

Using real data of Shenzhen Metro Line One, a train quality and mechanics model, a train traction and braking power model, a train traction and braking force model and a train power supply network model were established to study vehicle regenerative braking energy efficiency based on the departure time interval. Results through MATLAB SIMULINK simulation calculations were derived as follows: on the same power arm, when two vehicles’ track time is 60 s or 180 s, energy efficiency is higher, catenary impulse voltage is lower and power consumption by traction substations is also lower. Considering the vehicle return time being about 90 s at terminal or regional stations of Shenzhen Metro Line One, it is recommended that the departure time interval is adjusted to 180 s.

urban rail transit vehicle; departing time intervals; regenerative braking; energy efficiency

1006-7302（2015）03-0057-06

U270.2

A

2014-11-24

国家级大学生创新创业训练计划项目（201311349010）；五邑大学第六届机械工程重点学科项目（20215012）

黄尊地（1987—），男，山东济宁人，讲师，在读博士生，从事轨道交通车辆研究.