广州储能式现代有轨电车运行能耗分析及节能探讨

张本松，饶河平

（广州有轨电车有限责任公司，广东 广州 510000）

广州海珠线储能式现代有轨电车采用超级电容作为区间运行能量源，列车运行能耗直接影响越站能力，进而影响运营组织的策略。本文详细分析计算了列车运行能耗数据，并针对能耗构成提出了相应的节能对策。

1 线路及车辆技术特征

广州海珠线为全地面线，长7.7km，设11个车站。列车采用3动1拖编组。车辆采用被动式受电器，站内最大充电时间30s。

2 运行能耗计算

列车运行能耗主要由3部分构成：包括列车牵引能耗、空调能耗、低压控制能耗。下面主要对上述3部分能耗进行分析。

2.1 牵引能耗

当有轨电车运行于不同工况下，运行阻力的构成也不同。牵引工况时，主要包括加速阻力和滚动阻力；匀速工况或惰行工况时，主要包括滚动阻力；再生制动工况时，主要包括减速阻力和滚动阻力。

2.1.1 受力分析

根据相关资料，确定列车的基本单位阻力公式如下：

其中：速度单位为km/h。

列车坡道单位阻力公式如下：

其中：L为列车长度。列车处于变坡道点时，l为列车前端在坡道上的车身长度，i1为列车车身前端所处坡道的坡度。

列车曲线单位阻力公式如下：

其中：R为曲线半径，直线段时取∞，L为列车长度；列车处于变曲线点时，为列车前端在坡道上的车身长度，l为列车车身前端所处坡道的坡度。

综上所述，列车运行阻力公式为：

其中：fre为单位运行阻力，单位为N/kN；M为车辆质量，单位为t。

2.1.2 电机输出特性

（1）牵引力计算。

根据相关资料，可以得到列车加速度公式为：

对膝点1进行计算，此时电机功率为：

对膝点2进行计算，此时：

综上所述，AW2载荷下，速度与牵引力的关系为：

（2）制动力计算。

根据相关资料，可以得到列车制动减速度公式为：

电机最大制动功率为：

则有AW2载荷下，速度与制动力之间的关系为：

其中：n为电机个数。

（3）列车功率及能量计算公式。

列车的速度位移公式为：

轮周机械功率为：

其中：速度单位为km/h，力单位为kN，功率单位为kW。

牵引逆变器输入功率为：

牵引力做功：

电制动力做功：

2.2 空调能耗

车厢内部的总热负荷计算公式如下：

（1）通过车体隔热壁的传热量。

其中：K为车体等效传热系数，A为传热面积，Tw为室外温度，Tn为室内温度。

则车辆车体综合传热系数：

K1为典型截面的传热系数折算车体隔热壁等效传热系数，K2为取每节车漏风量引起的附加传热系数。

（2）进入车内的太阳辐射热。

进入车内的太阳辐射强度为：

铝合金辐射系数为0.3，太阳辐射吸收系数取为0.5，则有：

其中：A1为车顶面积。

（3）车内人员放出的热量。

（4）车内仪器放出的热量。

按照经验取为：

（5）新鲜空气的热负荷。

根据空调新风参数的要求，则有：

（6）停站开门热负荷。

按照经验，每次开门约有一半体积的冷空气置换为热空气：

2.3 低压辅助控制能耗

根据试验测试，低压控制能耗主要为列车24V，低压系统能耗功率约为4kW。

3 运行能耗分析

为简化计算过程，且考虑到线路特征和牵引特性，典型区间取为平直段770m长，速度曲线平滑。室外、室内的气温分别取为35℃、26℃，太阳高度角取为90°，并忽略地面辐射反射强度。逆变器、电机、传动系统效率分别取为95%、95%、90%。

分析结果如下：

（1）将列车限速分别由70km/h降为50km/h、由50km/h降为40km/h，区间能耗分别下降26.9%、9.2%，运行时间分别增加了29.8%、31.1%。

（2）坡道显著增大区间能耗约30.1%；曲线增大区间能耗约10.3%；人行过轨会增大区间能耗约27.3%。

4 建议及思考

综上计算及分析结果可知，运行能耗主要受到坡道、人行过轨、限速等因素的影响。

对于已建成的线路，其充电装置配置和储能电源容量已固定，故节能措施应着眼于提高续航里程。

（1）在人行过轨处设置自动栅栏，列车靠近时形成安全封闭区间，使列车速度曲线更平滑。

（2）结合区间长度、路口等因素，按照节时节能原则，合理设置各区间的限速。

对于新建线路，应避免单个运行区间或者越站运行区间能耗过大，进而在保证列车越站能力的前提下，减少充电装置数量和储能电源容量，因此：

（1）应尽量避免或者减小坡道，对于大坡度的长坡道区间，应适度增设充电装置。

（2）应尽量靠近站台前后设置人行过轨或路口。

（3）应尽量使中间区间更加均匀，头尾区间适当偏小。

5 结语

目前，我国储能式有轨电车线路的建设正在如火如荼进行。计算分析列车运行能耗，可对已建成线路制定更加合理的运营组织方案，对新建线路优化配置充电站与车载储能电源容量，具有实际而广泛的经济效益。