京沪高速动车组速度目标值与列车能耗问题的研究及探讨

黄　金， 刘诗佳

(1　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081；2　北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094)



京沪高速动车组速度目标值与列车能耗问题的研究及探讨

黄金1， 刘诗佳2

(1中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081；2北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094)

动车组能耗水平是决定高速铁路运营成本的关键因素，其大小取决于运营速度目标值的选择。依据新一代高速动车组京沪先导段的能耗测试结果，提出一种长距离多工况下列车牵引能耗估算方式。估算不同速度级直达开行方式下京沪全程高速列车的牵引能耗，比较不同速度级下总牵引能耗大小、牵引能耗组分、运行时间，以此作为选定京沪高速动车组速度目标值的部分依据。能耗估算结果表明，京沪高铁高速动车组一站直达开行方式选择300 km/h作为速度目标值相比其他速度级具有较优的能耗水平和经济效益。

速度目标值; 能耗试验; 能耗估算

从旅客角度来说，旅行时间、舒适度、经济性是其选择最终出行方式的重要标准。高速动车组具有运量大、速度快、准时、污染小、能耗低等优点，根据铁道第三勘察设计院对京沪高速铁路的运行率估算为0.32元/人公里(300 km/h目标值)，远低于民航票价，并将京沪旅行时间缩短为4～5 h。高速铁路能够不断发展并在与其他旅行方式竞争中显示其优越性，速度目标值的选择显得尤为重要。

高速动车组作技术水平决定了速度目标值的选择，主要包括5个主要因素：牵引能力、制动性能、能耗、运行时分、环保要求。对于经营者来说，动车组能耗对节能及保证运营经济性显得尤为重要。兼顾速度目标值和运营能耗，需要掌握区间内运营动车组在不同速度级的能耗水平。以京沪高铁先导段两种国产新一代高速动车组牵引能耗水平为依托，从能耗的角度探讨京沪高铁速度目标值的选择。

1　新一代高速动车组牵引性能

高速动车组轮周牵引功率决定了列车加速性能及动车组加速过程中的能耗水平，对于同样目标速度等级及长距离运输情况下，由牵引功率的不同引起的动车组加速能耗差异本文不做过多赘述，仅对两种高速动车组牵引特性进行描述。不同高速动车组阻力和轮周牵引功率有所差异，但不管哪种车型，列车轮周总功率均应包括克服列车运行基本阻力所需的功率、坡道曲线附加阻力引起的功率损耗、剩余加速度所需的功率。京沪先导段试验过程中采用两种高速动车组：CRH380AL高速动车组、CRH380BL高速动车组，两种高速动车组均为16辆编组，部分牵引参数见表1。

表1　新一代高速动车组牵引参数比较表

从表1中可以看出，两种新一代高速动车组牵引功率均不小于设计值，对于350 km/h速度级下的任意目标速度均满足平直道剩余加速度不小于0.05 m/s2的要求。京沪先导段试验过程中共对4个目标速度级能耗进行了考核：250，300，330，350 km/h，表2为不同目标速度值下的两种动车组牵引功率的要求。

由表2可见，对于CRH380AL动车组来说，250，300，330,350 km/h速度目标值高速动车组牵引功率仍有较大裕量；CRH380BL动车组250，300,330 km/h速度目标值高速动车组牵引功率有较大裕量。

表2　高速动车组阻力及最小牵引功率

2　新一代高速动车组牵引能耗

由于动车组在区间运行时，起点有加速过程，终点有减速过程，中间线路纵断面变化较多，存在势能的影响，某区段内能耗不能反映动车组在特定速度点的能耗水平。从持续速度运行能耗的不同角度对京沪先导段CRH380AL、CRH380BL高速动车组能耗水平进行了统计分析。持续速度运行能耗为动车组在较长区间内以持续目标速度运行时的牵引能耗(理论阻力能耗、附加能耗)。分析的目的是说明动车组在给定速度点运行时的能耗水平。图1为持续速度运行能耗组成及计算方法示意图，其中动车组持续速度运行时认为动车组速度始终保持恒定，持续速度运行能耗不包括加速能耗。

图1中各物理量分别为：Q耗为牵引能耗，kW·h;PL正为牵引工况网端功率，kW;Q阻力为理论阻力能耗，kW·h;W为动车组平直道惰行阻力,N;S为里程,m。

图1　持续速度运行能耗组成及计算方法

2.1京沪先导段实测能耗数据

对新一代高速动车组京沪先导段综合试验期间能耗测试结果进行了统计分析，统计结果见表3。统计选取京沪先导段K730～K780间50 km长区段的实测能耗水平，该区间线路等效坡度约为0.042‰，最小曲线半径9 000 m，可以忽略由于线路附加阻力引起的能耗，该区段内高速动车组以目标速度恒速运行。

表3　新一代高速动车组各速度级持续运行牵引能耗

从表3中看出，50 km区段内由于司机操作方式不同以及牵引系统特性、效率差异，CRH380AL动车组与CRH380BL动车组能耗表现有所不同。CRH380AL速度目标值由250 km/h增加至300 km/h，牵引能耗增加15%；速度目标值由300 km/h增加至350 km/h，牵引能耗增加20%。CRH380BL速度目标值由250 km/h增加至300 km/h，牵引能耗增加25%；速度目标值由300 km/h增加至350 km/h，牵引能耗增加28%。两车能耗变化规律相同，即牵引能耗随着速度目标值的增加而增加；提高相同的速度，牵引能耗的增加量随着速度目标值的增加而增加。

为进一步分析CRH380AL与CRH380BL能耗情况，将牵引能耗分为理论阻力能耗和附加能耗进行统计，统计结果见表4。

表4　新一代高速动车组各速度级持续运行牵引能耗

从表4中看出，理论阻力能耗在总牵引能耗中所占比重随速度目标值的增加而增加。提高相同的速度，理论阻力能耗比重增加量随着速度目标值的增加而减小。CRH380AL速度目标值由250 km/h增加至300 km/h，理论阻力能耗比重增加14%；速度目标值由300 km/h增加至350 km/h，理论阻力能耗比重增加5%。CRH380BL速度目标值由250 km/h增加至300 km/h，理论阻力能耗比重增加8%；速度目标值由300 km/h增加至350 km/h，理论阻力能耗比重增加3%。

综合考虑50 km区段内牵引能耗值与理论阻力能耗占总牵引能耗的比重，当动车组以持续速度运行时，250 km/h速度级能耗最小，但其理论阻力能耗比重过低，从一定程度上造成了能源的浪费；300 km/h速度级比250 km/h速度级牵引能耗增加，但其理论阻力能耗比重也相应提高，且理论阻力能耗比重提高百分比较为明显；330,350 km/h速度级能耗相对300 km/h速度级又有较大的增加，但其理论阻力能耗比重提升却不明显。因此对于250，300，330，350 km/h 4个速度等级，从节能角度选择300 km/h作为速度目标值更具经济性。

2.2京沪全程牵引能耗

由于持续速度运行牵引能耗仅为50 km长度区间的能耗数据，因此对于动车组不同速度目标值下京沪全程的能耗和时间没有更加宏观的认识。采用估算的方式对不同速度级下全程能耗和运行时间做一个定性的判断。

对京沪下行直达开行方式进行能耗估算，动车组仅在南京南站及上海虹桥站停车。能耗估算中，由于动车组全程基本以目标速度恒速运行，全程牵引能耗和运行距离可分为4种运行工况考虑：起动加速、持续速度运行、过分相、制动停车。各种工况示意如图2。

起动加速为动车组速度从0 km/h加速至目标速度的过程；持续速度运行为动车组以目标速度持续运行的过程；过分相过程包括动车组过分相时手柄回零及过分相后施加牵引力恢复目标速度的过程；制动停车包括动车组由目标速度制动至0的过程。

图2　能耗估算中各种工况示意

根据先导段试验情况采用的各种工况的运行距离及牵引能耗见表5、表6。表中均为动车组单次起动加速、单次过分相、单次制动停车所需要的距离及牵引能耗。

另外，本文不考虑由于限速造成的能耗量和加速过程中的过分相能耗。

表5　CRH380AL各种工况下运行距离及能耗

表6　CRH380BL各种工况下运行距离及能耗

京沪高铁全程1 318 km，全线电分相52处，一站直达模式起动、停车2次。由文献[1]可知，京沪直达旅行速度约在最高速度的90%左右，则4种速度目标值(250，300，330， 350 km/h)能耗及运行时间估算值见表7。

表8为目标速度变化时高速动车组京沪全程牵引能耗增量及旅行时间变化，从表中可以看出，目标速度级由250 km/h提升至300 km/h较其他速度级的变化有明显优势，从一个方面讲选择300 km/h作为速度目标值兼顾了运营成本与乘客的旅行时间。

另外，从表中看出，高速动车组目标速度由300 km/h提升至330 km/h与300 km/h提升至350 km/h相比并无太大能耗/时间优势，若再次提升京沪线路速度目标值，350 km/h更为合理。

表7　不同速度目标值京沪全程估算牵引能耗及时间

表8　不同速度级下能耗增量及时间变化

3　结束语

以京沪先导段高速动车组能耗试验为基础，统计动车组在250，300，330，350速度级下的能耗结果，以此为依托估算不同速度级下京沪全程动车组能耗水平，从能耗的角度得出以下结论：

(1) 京沪高铁高速动车组一站直达开行方式选择300 km/h作为速度目标值相比其他速度级具有较优的能耗水平和经济效益。

(2)新一代高速动车组设计轮周牵引功率完全满足300 km/h持续运营的能力，并有较大功率裕量。仅考虑旅行时间和能耗，若今后提升京沪线路速度目标值，330 km/h与350 km/h相比，350 km/h速度级更具优势。

[1]马大炜. 高速列车及其速度目标值的探讨 [J]. 中国铁道科学，2003，24(5)：2-6.

Research on Relationship Between Target Speed and Energy Consumption of Jing-Hu Passenger Dedicated Line

HUANGJin1，LIUShijia2

(1Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081,China; 2Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co , Beijing 100094,China)

Energy consumption of the EMU is the key factor deciding the cost of the High-speed railway, and the energy consumption lies on the operating target value. This paper presents a method to compute the energy consumption for a long distance and multi-condition, based on the experimental results on the Zaozhuang West to Bengbu section of the line. Energy consumption of entire journey in the nonstop mode was computed. Some factors, such as traction consumption, consumption components and runtime are analyzed as the partially supports for proper target speed value. The computation results indicate that selecting 300km/h as the target speed has the better energy consumption and more economical.

target value; energy consumption experimental; energy consumption computation

1008-7842 (2016) 04-0119-04

男，助理研究员(

2015-12-18)

U292.91+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.33