基于波哥大轻轨供电系统的单车单程能耗分析

摘  要：该文基于波哥大轻轨项目对供电系统仿真的单车单程能耗进行分析。由于车辆仿真中不含再生能耗的单车单程能耗不能满足合同要求，而直流仿真作为一种时域仿真无法单独得出单车单程能耗。因此，为了验证单车单程能耗，首先将合同要求的单车单程转换成再生能耗占总能耗的比例，然后通过分析建立高峰与平峰时刻的牵引直流仿真模型，最后通过对车辆总再生能耗占总能耗的比例证明单车单程能耗满足合同要求容量并得到国外监理批准。该文通过上述步骤对波哥大轻轨项目中单车单程能耗进行研究和梳理，以期为今后类似情况提供一种计算方案及相关案例依据。

关键词：单车单程能耗；车辆仿真；牵引仿真；供电能耗；轨道交通

中图分类号：P694      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0019-04

Abstract： This paper and analyzes the single vehicle one-way energy consumption simulated by power supply system based on Bogotá Metro Rail project. Because the single-way energy consumption of single vehicle without renewable energy consumption in vehicle simulation can not meet the requirements of the contract， while DC simulation as a time-domain simulation can not get single-way energy consumption alone. Therefore， in order to verify the one-way energy consumption of a vehicle， the one-way energy consumption of the vehicle required by the contract is first converted into the ratio of regeneration energy consumption to the total energy consumption， and then the traction DC simulation model of peak and flat time is established through analysis. Finally， through the proportion of the total regenerative energy consumption of vehicles to the total energy consumption， it is proved that the one-way energy consumption of single vehicle meets the required capacity of the contract and has been approved by foreign supervision. Through the above steps， this paper studies and sorts out the one-way energy consumption of vehicles in the Bogotá Metro Rail project， in order to provide a calculation scheme and related case basis for similar situations in the future.

Keywords： single vehicle one-way energy consumption; vehicle simulation; traction simulation; power supply energy consumption; rail transit

波哥大轻轨项目全长39.66 km，全线共设17座车站，13座牵引所，其中首站为Call 26，末端站为Facatativa。由于波哥大本身电力资源较为薄弱，为了实现高效节能的运营目标，在合同中对列车单车单程做出了相关规定。根据波哥大轻轨项目的合同要求，单车单程能耗不能高于480 kWh。根据国内经验，一般来说只需列车牵引能耗和列车辅助能耗达到合同要求，则单车单程能耗一定能满足要求，但是波哥大轻轨项目中列车牵引能耗远远大于合同要求能耗（见下述案例分析），必须采用其他方式进行计算验证。

对于牵引供电系统能耗来说，目前较为常见的有基于单位车公里、人公里和吨公里等能耗指标通过优化线路方案研究供电系统能耗[1]；基于剩余制动能量参数通过优化再生设备的分布研究供电系统能耗[2]；基于列车、客流、牵引供电设备、环控设备及发车间隔等因素通过对未来能耗预测及优化来研究供电系统能耗[3]；通过供电设备优化研究供电系统能耗[4]。

综上，目前供电系统能耗着重于整个牵引供电系统，尚未有单车单程能耗的相关分析，这是因为对于整个供电系统来说，供电仿真是一个基于运行图的时域过程，无法直接通过仿真得出相应的结果。为了满足合同要求，下面将通过波哥大轻轨项目实际案例对供电系统中的单车单程能耗进行分析。

1  供电系统能耗分析

1.1  供电能耗分析

对于牵引供电系统来说，能耗可以大致分为以下几个部分，整流机组输出能耗、传输过程损失能耗、列车牵引能耗、列车辅助能耗、再生设备吸收/输出能耗（如有再生设备）及其他损耗。在仿真过程中，由于其他损耗较为复杂，且占比非常小，因此在仿真过程中忽略其他损耗[5]。

下面将结合波哥大轻轨项目对如何满足单车单程能耗值进行定量梳理和分析。

首先，在车辆的仿真结果中，共提供3个数据，分别是列车牵引能耗、列车辅助能耗及列车再生制动反馈能量。由于车辆仿真的模型仅为单车牵引模型，因此不涉及供电相关设备，则列车再生制动反馈能量为车辆制动产生的所有能量。而在实际牵引系统中，一方面由于车辆制动反馈给牵引网能量时会将牵引网网压抬升，根据规范要求，当牵引网压超过1 800 V（DC1500V牵引系统），列车将从电制动转换为机械制动，不再往牵引网返送能量；另一方面，在直流供电仿真中，同一供电区间内可能存在多辆列车，列车之间牵引取流和制动返送能量状态相互影响，很难直接用一个值去进行衡量。因此，单车单程能耗不能简单地使用列车单车单程总能耗（牵引和辅助）减去列车再生制动反馈能量，因为这里的列车再生制动能量不是100%被返送到牵引网。

其次，对于牵引供电系统来说，整流机组输出能耗+再生设备吸收能耗（如有）+传输过程损失能耗=列车牵引能耗+列车辅助设备能耗+再生设备输出能耗（如有）。其中，将车辆能耗结果作为输入条件，则通过仿真可以得到上述参数。

而对于整个直流系统来说，再生制动能量来自车辆制动过程。车辆制动过程一般来说分为2个阶段，第一阶段为电制动，即向牵引网返送能量，此时牵引网压升高，当牵引网网压达到阈值后，列车开始第二阶段转为机械制动，因此首先需要保证的是牵引网压尽可能不要超过牵引网压的阈值限制，这样就能够保证尽可能多的制动能量被返送到牵引网，而不是被机械能转换成热能消耗掉。

通过上面的分析可知，影响直流系统牵引能耗的最重要的因素共有2个，一个是同一供电区间内车辆的状态，如在同一供电区间内，一车制动返送能量，另一车牵引吸收能量，则可以减少整流机组能量输出，而对于这个因素本文将用发车间隔进行替代；另一个是能否在车辆返送能量时，通过其他方式将这部分能量进行存储。根据供电系统的特性和实际运营情况，将第一个因素定量成发车间隔，选取高峰时刻和平峰时刻做两组仿真进行结果对比；对于第二个因素来说，由于车辆本身无法满足单车单程能耗要求，因此只能选择储能型供电再生设备帮助车辆节省能耗，根据项目特点以及核算，最终选择了飞轮作为波哥大轻轨项目的再生设备[6]。下面通过车辆仿真结果及直流仿真结果对单车单程的能耗进行分析。

1.2  车辆仿真结果分析

根据车辆厂家提供的仿真报告进行整理可得表1。 由表1可知，在没有任何再生能量吸收的情况下，车辆单车单程的最大能耗为590.12 kWh，大于合同要求的480 kWh，因此必须通过核算再生能量计算单车单程的能耗。

以Facatativa—Call 26为例，当车辆牵引时，其单车单程所需的所有能耗为590.12 kWh。当车辆制动时，车辆向牵引网返送能量，这部分能量称为车辆再生制动能量共计295.69 kWh。如要满足合同要求，上行Call 26—Facatativa再生能量应至少为587.5-480=107.5 kWh，再生能耗占比为107.5/587.5=19%；下行Facatativa—Call 26再生能量应至少为590.12-480=110.12 kWh，再生能耗占比为110.12/590.12=19%。

综上，为了满足合同要求则必须要求车辆的再生能耗占比应至少为19%，才能满足合同单车单程480 kWh的要求。

1.3  直流仿真结果分析

对于直流仿真来说，没法将上行和下行分开，因此为了满足合同要求，则直流仿真的再生能耗总体占比必须大于19%。

从本文1.1的参数分析可知，运营图对能耗有较大的影响，例如在高峰时刻，一个供电区间内存在2辆车的概率较大，而在平峰时刻，一个供电区间内存在2辆车的概率极低，则车辆之间能量相互吸收的可能性更低，同时再生储能装置在平峰时刻的使用率也会远远高于高峰时刻。因此拟采用下面2种仿真工况开展仿真工作，第一种仿真工况为选取运营图05：00：00—05：19：42时间段开展高峰时刻直流仿真工作；第二种仿真工况为选取运营图11：00：00—11：20：00时间段开展平峰时刻直流仿真工作。

根据上述分析，建立波哥大轻轨项目模型并进行仿真，得到高峰时刻能耗结果如图1所示。

由图1可知，在05：00：00—05：19：42高峰时间段内，牵引机组输出的总能耗为3 294 kWh，再生设备吸收能耗为183 kWh（再生设备初始储能设为0 kWh），释放能耗为129 kWh，飞轮设备平衡能耗为10 kWh（此能耗包含在54 kWh内），列车总耗能为4 043 kWh，实际再生制动能耗为956 kWh，总损耗能耗为154 kWh。

根据本文1.1的分析可得，列车牵引总能耗（4  043 kWh）+传输过程损失能耗（154 kWh）+再生设备吸收能耗（183 kWh）=整流机组总输出能耗（3 294 kWh）+列车制动实际返送能耗（956 kWh）+再生设备输出能耗（129 kWh）。根据上面公式，得到在在05：00：00—05：19：42高峰时间段内所有车辆的总能耗为4 043 kWh，这个值只跟列车的运营图有关，即有多少辆车在这个时间段内进行牵引，跟车辆间能耗是否相互吸收，是否设置再生设备无关，则将该值类比为车辆仿真中的总牵引能耗。则按照上述分析，对于车辆本身来说，其再生能耗占比为956/4 043=23.64%。对于再生设备来说，其释放储能只是帮助牵引整流机组节省能耗，对于车辆的再生制动能耗来说没有影响，而吸收储能则跟车辆再生制动有直接关系，首先再生设备吸收储能一定是在车辆制动时，而再生设备吸收储能可以看成是这段供电区间内另外一个供电负荷，因此再生设备的吸收储能吸收占比为183/4 043=4.5%，则如果不设置再生储能设备，对于车辆本身来说，其再生能耗占比为23.64%-4.5%=19.14%，也是满足合同要求的。因此在高峰时刻，列车无论是否投入再生储能设备，其都满足合同要求的单车单程480 kWh的要求。

根据本文1.1的分析，列车单车单程能耗在高峰时刻和平峰时刻是有区别的，因此建立波哥大轻轨项目模型并进行仿真，得到平峰时刻能耗结果如图2所示。

由图2可知，在11：00：00—11：20：00平峰时间段内，牵引机组输出的总能耗为1 830 kWh，再生设备吸收能耗为124 kWh（再生设备初始储能设为0 kWh），释放能耗为95 kWh，飞轮设备平衡能耗为10 kWh（此能耗包含在29 kWh内），列车总耗能为2 058 kWh，实际再生制动能耗为416 kWh，总损耗能耗为159 kWh。

根据本文1.1的分析可得，列车牵引总能耗（2  058 kWh）+传输过程损失能耗（159 kWh）+再生设备吸收能耗（124 kWh）=整流机组总输出能耗（1 830 kWh）+列车制动实际返送能耗（416 kWh）+再生设备输出能耗（95 kWh）。根据上面公式，得到在11：00：00—11：20：00平峰时间段内所有车辆的总能耗为2 058 kWh，这个值只跟列车的运营图有关，即有多少辆车在这个时间段内进行牵引，跟车辆间能耗是否相互吸收，是否设置再生设备无关，则将该值类比为车辆仿真中的总牵引能耗。则按照上述分析，对于车辆本身来说，其再生能耗占比为416/2 058=20.21%。对于再生设备来说，其释放储能只是帮助牵引整流机组节省能耗，对于车辆的再生制动能耗来说没有影响，而吸收储能则跟车辆再生制动有直接关系，首先再生设备吸收储能一定是在车辆制动时，而再生设备吸收储能可以看成是这段供电区间内另外一个供电负荷，因此再生设备的吸收储能吸收占比为124/2 058=6.0%，则如果不设置再生储能设备，对于车辆本身来说，其再生能耗占比为20.21%-6.0%=14.21%，这是不满足合同要求的。这是因为平峰时刻发车间隔较大，同一供电区间内存在2辆车的概率特别低，因此必须使用再生设备帮助储能，否则无法满足合同要求。

将上面的分析进行整理得到表2。

根据本文1.2的结果可知，如要满足合同要求，则再生能耗总体占比必须大于19%。根据上面的结果可以看出，在高峰时刻，即使不上任何措施，再生能耗总体占总体能耗的比例为19.14%，其满足合同要求；但是在平峰时刻，在不上任何再生设备时，再生能耗总体占总体能耗的比例为14.21%，不能满足合同要求，因此必须通过添加再生设备帮助车辆增加再生能耗，通过增加再生设备，最终使得整体再生能耗从14.21%提高到20.21%，满足合同要求。

综上，虽然由于各种原因导致无法通过车辆仿真直接证明单车单程能耗满足合同要求，但是本节通过对车辆仿真及直流仿真的分析，将单车单程能耗转换为再生能耗的占比后，成功证明单车单程的能耗满足合同要求并得到国外监理的认可和批复。

2  结论

一般国内轨道交通项目中的单车单程能耗在车辆仿真过程中已经满足要求，而本文依托的波哥大轻轨项目其当地电力资源较为稀缺，同时由于波哥大作为全球车流量第六大的城市，其客流较大，在考虑车辆能耗时根据当地情况采用超载模型进行建模，因此所需的牵引能耗远大于国内同等规模的轻轨项目。

一般来说，国内类似轨道交通项目仅预留再生设备位置，不直接上再生设备，这是因为国内高峰时刻（2 min发车间隔）在不设置任何再生设备的情况下再生能耗占总牵引能耗的比例在40%～50%，而本项目为大小交路套跑，市区段发车间隔为4 min，郊区段发车间隔为12 min，因此在不加任何再生设备的情况下再生能耗占总牵引能耗的比例仅为19.14%，而在平峰时间段更为严重，波哥大轻轨项目在平峰时刻郊区段每个供电区间内仅有一辆车，市区段有2辆车的概率也极低。因此本项目为了满足合同要求的单车单程能耗必须额外增加再生设备[6]。最终通过对高峰平峰时刻的仿真，在增加再生设备的情况下使得正常工况下的所有运营方案均能满足合同要求。

本文主要探讨了单车单程能耗在直流仿真中的一种计算方式，以波哥大轻轨项目为例进行了分析计算，以期为今后类似要求提供一种计算方案及案例依据。

参考文献：

[1] 袁宏伟，孔令洋.城市轨道交通能耗影响因素及测算研究[J].都市快轨交通，2012，25（2）：41-44，73.

[2] 陈静.基于超级电容的地面式地铁再生制动能量回收技术研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[3] 王子甲，陈峰，施仲衡.北京城市轨道交通中远期能耗预测研究[J].中国铁道科学，2013，34（3）：133-136.

[4] 翟益炜.基于城市轨道交通供电系统的节能降耗技术研究[J].交通科技与管理，2023，4（8）：10-12.

[5] 郑瞳炽，张明锐.城市轨道交通牵引供电系统[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[6] 刘斌，郑浩天.飞轮再生装置对供电系统的作用研究[J].运输经理世界，2023（1）：10-12.