动车组固有速度—单位能耗指标及计算方法研究

李杰波

( 中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081 )



动车组固有速度—单位能耗指标及计算方法研究

李杰波

( 中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081 )

为获得更高速度条件下动车组能耗水平，研究并提出动车组速度—能耗为目标值的分布规律。通过国内外相关技术文件和动车组试验结果，提出采用动车组在平直道恒速运行时的人均百公里耗电量指标，用于评价动车组由设计制造所赋予的固有能量消耗水平。根据动车组单位能耗构成特点，给出了具体的单位能耗指标计算方法，分析动车组固有属性决定能耗水平的影响因子。以某高速动车组能耗实测结果为例验证其速度—单位能耗分布规律适用性。

铁路运输； 高速动车组； 速度—单位能耗； 分布

与其他运输模式相比，能源效率是铁路运输最显著的优势。UIC[1]将能源效率、噪声、内燃机排放列为铁路最相关的环境参数，从能源消耗观点将能源效率认为是最优先考虑项，它能够保持和加强铁路运输的竞争地位，降低铁路运营的全寿命周期成本。

德国自2007年开始研究以400 km/h运营的超高速动车组[2]，目标之一就是节能，在能耗指标上要求比ICE3节能50%(300 km/h时)。目前我国高速动车组运营速度等级有200，250，300 km/h，在发展过程中也有以330，350 km/h运营的经验。以更高速度运营时，动车组能耗水平仍是未知目标，迫切需要研究动车组运行速度与能耗之间的关系，从能源消耗的角度考虑更高速度铁路运营速度。

1　动车组固有单位能耗指标

2008年UIC[3]制订了铁路运用环境性能关键指标(KPI)技术标准，在客运和货运能耗指标方面提出采用人均公里耗电量(kWh/pkm)和每吨公里耗电量(kWh/tkm)的指标概念。我国TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》[4]中，对货物运输提出了万吨公里耗电量(kWh/万tkm)概念，在牵引旅客列车以及动车组运输能耗方面尚无相关定义。

动车组能源消耗主要以牵引能耗为主，牵引能耗与动车组运行交路、司机操纵密切相关。一般将旅客运输分为3种：高速列车(长区间，高速)、城际旅客列车(少数停站，速度变化)、区间或郊区列车(较多停站，快起快停)。不同交路为客观条件，主要指存在的不同线路条件和不同运输方式；司机操纵则是考虑主观的人为因素，这些因素都不是动车组本身设计造成的。

文献[5]指出，在运行时间确定的条件下，列车恒速运行时阻力能耗最低。为客观评价动车组固有能耗水平，摒除运行交路、司机操纵导致的能耗波动，特别地在采用动车组在平直道恒速运行时的人均百公里耗电量(kWh/102pkm)评价动车组设计制造本身所固有的能耗水平，简称单位能耗。

2　动车组单位能耗计算方法

动车组运行基本阻力是耗能主体，一般可以描述为[6]：

(1)

式(1)中w0为动车组运行基本阻力，N/kN；vt为速度，km/h；a,b,c为大于零的系数常量。

设动车组恒速运行速度为v，单位公里运行时间为T。动车组单位能耗E可以表示为：

(2)

式(2)中n为动车组旅客人数；Pa为动车组辅助系统输出功率，W；m为动车组质量，kg；ηt,ηa,ηc,ηg,ηm分别为主变压器效率、辅助变流器效率、牵引变流器效率、齿轮传动箱效率、牵引电机效率。

将式(1)代入式(2)，并考虑恒速运行时单位公里运行时间T=3 600/v，将式(2)化简得：

(3)

式(2)、式(3)表明，动车组单位能耗由辅助能耗和克服阻力做功的牵引能耗构成，仅与动车组定员、质量、辅助功率、阻力以及系统效率有关，为动车组本身固有属性决定，可以客观评价动车组设计制造所赋予的能耗水平。单位能耗—速度分布计算结果受传动系统效率、辅助功率发挥影响，在低速区尤其要考虑电机效率、变压器效率降低导致的误差；在高速区各主要电气及机械部件的效率与标称值基本一致，可以按照标称值计算。

式(3)指明了从设计角度降低动车组能耗的主要手段，包括4方面：

(1)降低整车质量，轻量化设计；

(2)降低动车组运行阻力；

(3)降低辅助用电，对辅助负载进行节能控制如旅客舒适度负载、充电机直流负载以及牵引系统辅助机组等；

(4)提高牵引传动系统各主要环节的效率，合理调整各环节在长期运行速度时的功率匹配，以尽量贴近额定工况保证效率在较高水平。

式(3)表明，随着动车组运行速度的增加，运行阻力耗能也必然增加，因此总能耗必然随着速度提高而增大。能耗计算中，一般通过测量网压、网流计算网端功率，再对网端功率进行积分计算耗电量[4]。

为预测更高速度条件下动车组的能耗分布，需要对动车组速度—单位能耗在现有速度等级运行条件下的规律进行探讨。

首先，通过线路试验获得动车组在平直道上恒速运行时的平均网端功率，采用恒速时的平均网端功率估算动车组单位能耗。其次，将在平直道进行的多个典型速度点恒速运行的单位能耗与速度的关系按照式(3)的数学模型回归。

可以将式(3)进一步调整为：

(4)

则式(4)为一般表达式：

(5)

式(5)中A0,A,B,C为式(3)化简后的常量表达符号。

式(5)表明了速度与单位能耗乘积后，其与速度为三次方关系，采用最小二乘法进行三次多项式即可获得类似式(5)的回归规律。

最后，将得到的回归数学公式等式左右各除以速度v可得到速度—单位能耗分布规律。

3　速度—单位能耗分布规律验证

以某型高速动车组为例，选取的主要计算参数如下：n取1004；Pa取600 000 W；m取957 000 kg；主变压器效率ηt取0.95；辅助变流器效率ηa取0.98；牵引变流器效率ηc取0.98；齿轮传动箱效率ηg取0.975；牵引电机效ηm取0.95；单位基本阻力公式系数a取0.56；b取0.003 7；c取0.000 112。

将计算参数代入式(3)得该动车组在高速区段的速度—单位能耗的分布规律为：

E=64.190/v+0.169+1.114×10-3v+

(6)

通过式(6)可以计算其在各个速度级运行时的单位能耗、辅助能耗与阻力能耗贡献比例。

该型动车组实测单位能耗通过实车试验，由网侧功率进行积分计算获得。

动车组速度—单位能耗理论计算结果和试验结果的对比表如表1。

表1　载荷条件下某型高速动车组定员理论单位能耗与实测结果[7]对比表

由表1可见：

(1)随着速度提高，辅助能耗对动车组单位能耗贡献越来越小，阻力能耗贡献越来越大。在330 km/h以上，阻力能耗比例占总能耗的95%以上，因此动车组阻力大小决定了其节能水平优劣。

(2)随着速度提高，各个环节的效率趋于平稳，单位能耗计算值与试验值趋于一致，300 km/h以上相对误差小于5%。

(3)由于实车无法获得定员载荷下的更高速度等级单位能耗，如400,420 km/h，因此根据式(6)预测该型动车组在更高速度400,420 km/h运行时的单位能耗分别为6.17,6.74 kWh/102pkm。该型动车组进行超高速试验时(空载条件)的试验结果分别为6.19,6.72 kWh/102pkm，计算结果与空载条件下的试验结果相当吻合。

4　结　论

(1)平直道恒速运行人均百公里能耗指标作为评价动车组固有单位能耗水平是适用的;

(2)随着速度提升，动车组单位能耗水平主要取决于动车组阻力大小;

(3)通过与实测结果验证，速度—单位能耗的一般分布规律可以预测更高速度条件下动车组的单位能耗水平，并得到比较贴近实际的预测结果。

[1]UIC Leaflet 345.Environmental Specifications for new rolling stock[S].

[2]吴瑞梅. 德国DLR研制的新一代列车ICE NGT[J]. 国外铁道车辆, 2014,51(6):15-18.

[3]UIC Leaflet 330. Railway specific environmental performance indicators[S].

[4]中华人民共和国铁道部.TB/T 1407-1998 列车牵引计算规程[S].

[5]曾宇清,于卫东, 扈海军,等.高速铁路牵引计算层次约束方法[J]. 中国铁道科学, 2009,30(6):97-103.

[6]张波，陆阳，李杰波．中国高速动车组运行阻力试验及思考[C].中国铁道科学研究院60周年学术论文集．北京:中国铁道出版社，2010.

[7]中国铁道科学研究院．京沪高速铁路综合试验研究总报告[R]．北京：中国铁道科学研究院，2011.

Research on Speed-energy Consumption Distribution of High-speed EMU

LIJiebo

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences , Beijing 100081， China )

In order to reveal the energy consumption level of high-speed EMU, EMU speed-energy distribution was discussed. According to EMU energy constitutes, the calculation method was proposed given energy saving mode, and the theoretical distribution formula was established for the target speed-energy, revealing the relationship between the energy consumption and the cubic velocity. The practicability of speed-energy consumption distribution was verified by taking a high-speed EMU energy consumption as an example.

Railway transportation, high-speed EMU, speed-energy consumption, distribution

1008-7842 (2016) 04-0097-02

��)男，副研究员(

2015-12-18)

U266.2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.24