摘要：随着以高速动车组和地铁为代表的轨道交通工具的广泛应用，轨道交通工具追求“高速重载”，经济已成为各应用单位和列车制造商追求的共同目标。本文对动车组的能耗进行了深入研究，分析了新型电力电子变压器、新型变换器等牵引传动新技术在节能技术中的应用。
关键词：高速动车组；能耗；节能技术
1动车组能耗数学模型
动车组运行过程中的总能耗E主要由牵引能耗ET和辅助用电能耗EA两部分组成,其中辅助用电能耗EA主要来自于车辆空调系统和车载设备冷却系统。在研究降低牵引能耗ET时,可以认为EA在线路确定的条件下,是一个相对定值,即动车组总能耗E可表述为
节能牵引建模仿真的目的就是结合运行线路数据,通过调整动车组运行控制策略,使得在线路区间内动车组基于准点的前提条件下牵引能耗ET最小,求得最优的动车组牵引制动运行工况。
2动车组节能运行控制策略
动车组各控制变量对应的列车运行工况如表1所示,其中vC表示司机恒速驾驶时的恒速设定值。显然,动车组最优控制曲线包含以下特征:最大级位牵引、最大级位制动、小级位牵引、惰行和小级位制动。当列车处于小级位牵引工况和小级位制动工况时,列车匀速运行;当列车惰行时,列车减速运行。
在保证准点率的前提下,以最大程度节省能源为目标,充分利用区间运行时最大能力和准点运行的富余时间,结合线路断面条件和限速条件,采取最大牵引加速度启动、平直道和下坡道上的惰行节能、平缓坡道上的恒速牵引策略、大上坡道上的牵引闯坡、过低限速(或停车)前的惰行、必要的恒速制动和减速制动等措施。
结合上述分析对动车组的最优运行曲线进行仿真计算,需要做如下定义:
(1)大上坡道区:列车以最大的牵引力运行,仍然不能够保持vC或vX(x)的车速区域;
(2)恒速区域:列车以部分制动或者牵引工况匀速运行时,速度为vC或vX(x)的区间;
(3)大下坡道区:列车以vC或vX(x)的初速度惰行,速度仍然在增加的区域。
研究表明,列车运行加速过程中,列车运行能耗先降低再逐渐增大,在列车速度逐渐增大过程中,存在一个速度点使得列车运行能耗是最低的。在实际运用中,受坡道、曲线附加阻力及线路限速等条件的影响,该速度点是一个变化的值。动车组在运行时刻表约束下,对节能运行最优控制问题进行求解的前提条件为确定合适的运行速度v(x),同时需要将线路离散为一系列恒速区、大上坡道区及大下坡道区相连的分区列表序列{s1,s2,s3,…,sn};通过对相邻恒速区进行最优连接,利用仿真软件通过迭代法不断绘制不同速度通过同一区间的能耗-速度曲线,寻找线路分区序列连接点的最佳速度转换序列{v1,v2,v3,…,vn},最终实现整个线路区间的最优连接。
最优速度转换序列{v1,v2,v3,…,vn}算法流程。首先进行理想平直道计算序列连接点的速度vn和匀速值vC的求解;其次对于含缓坡的线路证明匀速运行的最优性,进行模态切换点的求解;最后进行含陡坡的线路采用基于等效匀速法的连接点速度求解。
速度转换序列迭代计算通过程序进行,关键步骤如下:
Step1:按照线路分段,设置初始速度v0、区间运行时间、线路条件等,以10km/h为步长递增,按加速、匀速、惰行、制动的模态顺序绘制速度曲线。
Step2:判断Step1输出的速度曲线所消耗计划运行时间是否大于区间运行时间,是则跳出,否则返回Step1。
Step3:退回跳出前的v01,将递增步长改为9km/h,重复上述循环。
Step4:退回跳出前的v02,将递增步长改为8km/h,重复上述循环。
……
Step11:退回跳出前的v0N,将递增步长值更改为1km/h,重复上述循环。
Step12:程序跳出,输出v1=v0N。
3新技术对能耗的优化分析
3.1新型电力电子变压器技术
传统的动车组变压器质量通常在4t左右,占单车质量的8%～12%,效率在96%左右。新型电力电子变压器与传统变压器相比,最大区别是将变压器技术和电力电子变流技术融合在一起,不仅能够实现变压器的小型化和轻量化,同时具备更高的效率(97%)和效率质量比值。
3.2新型变流器技术
牵引变流器质量通常在4t左右,占单车质量的10%左右,效率在97%左右。在工程实践中,可以利用碳化硅材料禁带宽度高、泄露电流小、导热率高、导通损耗小、耐电压性和耐电流性高等特性,将碳化硅材料和变流器中的功率器件IGBT配套使用,在提升变流器功率和效率的同时,也能够实现变流器的小型化和轻量化。
3.3永磁电动机技术
牵引电动机单个质量在1t左右,与传统异步牵引电动机相比较,永磁同步电动机因其结构的特殊性,具有功率密度高、转化效率高、响应速度快的特点,在提升电动机效率的同时,质量能够降低30%,体积减小10%。
3.4新型材料技术
据统计,内装材料的质量占单车质量的15%,碳纤维、超高强度钢等技术目前正在逐步进入商业化应用中,同时,轻质金属、纳米陶瓷纤维等新技术也在不断取得新的进展,因此可以在内装零部件(车内、车窗、桌椅和其他内饰等)的设计和制造过程中应用以上新型材料,实现整车减重的目的。
3.5降阻技术
在动车组的运行阻力中,空气阻力在高速段占据了超过80%的比重,因此可以通过采用仿生学设计车头、优化动车组表面特性以及采用前沿新型降阻技术(电弧流通控制降阻)降低空气阻力。
结论
新型牵引传动技术将广泛应用并快速发展,传统的牵引传动系统在效率比、质量比、功率比和体积比等方面已经较难取得突破性进展,从某种程度上约束了动车组的能耗与“经济+绿色+环保”体系的发展,因此发展和应用新型牵引传动技术已经成为动车组发展的必然需求;合理编制运行图和动车组运行速度,根据大数据技术分析在不同时段、不同区间的客流走向和趋势,在满足旅客出行的前提下实现能耗比的优化;建立动车组能量管理体系,在降低能耗的基础上,开展动车组的能量回收技术研究,实现对能量的综合管理;开展前沿技术的探索与研究,对非接触式受流技术、电弧流通控制降阻等颠覆性技术展开探索,为未来动车组技术发展提供一定的铺垫。
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论文作者:刘建
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第04期
论文发表时间:2019/7/9
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