关键词：城市轨道；列车能耗；节能
1 城市轨道交通系统总能耗
城市轨道交通系统的总能耗主要包括电力、燃气、燃油、水等能源的消耗，其中主要的是电力消耗。火车和电力照明的功耗分别约占总功耗的50％。目前，火车牵引节能的主要研究方向是制动再生能量的回收，许多轨道交通企业都在试用安装回收装置。但是，该方法还存在不确定性：首先，能量回收装置投资较大，无法在短时间内确定投资和节能效率比。其次，回收装置的稳定性及其对供电系统的影响也需要进一步验证。这项研究从改变火车部分的运行模式开始。典型的部分是轧制坡道。一个路段包括几个坡道，然后是几个坡道，其中可能有平坦的道路。最佳的操作顺序是减少牵引力，增加惯性和减少制动。通过调整列车牵引，制动和惯性的分布，计算和分析了运行水平与牵引能耗之间的关系，然后优化了时间表，以达到节能的效果。
2 城市轨道交通列车牵引能耗的影响因素
在列车运行过程中，牵引能耗主要包括以下四个部分：①牵引供电系统本身消耗的能量。它主要是由地铁牵引供电网络本身的能耗产生的，可以通过优化供电网络的设计来降低能耗。②再生制动消耗的能量。火车使用制动过程中产生的热能发电，并将其上载到电源网络，为其他火车提供电源。③制动电阻消耗的能量。主要原因是制动过程中的能量消耗，这是将制动能量转换为再生制动能量过程中的损失部分。④火车牵引系统消耗的能量。它是指火车牵引过程中消耗的能量。
根据城市轨道交通系统的实际情况，线路状态和列车牵引系统及列车的运行策略等因素都会对牵引能耗产生影响，具体表现如下。
（1）线路状态。线路状况对牵引能耗的影响主要体现在线路类型，站距和线路轮廓设计方案上。列车运行时，不同的线路类型决定了空气阻力的大小。火车在隧道中行驶时的空气阻力大于火车在高架桥上行驶时的空气阻力，并且随着空气阻力的增加，火车的能耗也会增加。车站之间的距离越小，火车起停的频率越高，牵引的能耗就会增加。列车在线路纵向平面上的能耗影响主要体现在坡道位置和车站位置的设计上。设计中应考虑列车进出站过程中的重力势能。
（2）列车牵引系统。牵引电机是影响列车牵引能耗的关键，牵引电机的空转和电机自身的能量损失会造成不必要的能量消耗。
（3）列车的运行策略。列车运行过程中，频繁加速、减速会造成列车能耗的增加。随着列车运行密度的增大，多列车同时在一个供电分区启动的概率增大，因而造成接触网局部电流在短时间内急剧增大，此时接触网热损能耗也随之增加。
3 城市轨道交通列车车辆节能策略
3.1 调整时刻表
时刻表的调整是地铁自动控制系统采用的一种方法，可以同时满足高峰时段和非高峰时段列车的电力需求。中央控制系统应确定系统中每列火车的位置，并负责确保所有火车均按照时间表进出车站。通过实施时间表，高峰时段增加了运营列车数量，以满足高峰时段的通行需求，非高峰时段减少了列车数量，达到了节能的目的。这样，在保证需求的情况下，可以高水平地运行适当数量的列车，从而降低了维护成本。
3.2 列车重量
火车的重量直接影响火车牵引系统所需的功率，火车越重，在相同的牵引系统下消耗的功率越多。因此，在列车重量方面的节能策略是在购买新车时实现车辆轻量化，而在车辆轻量化中最重要的是车身轻量化。另外，车身材料之间的连接和内部材料的选择对车身的重量有很大的影响。因此，城市轨道交通经营者在购买新车时应在保证安全性和主要性能的前提下，逐步研究如何减轻和控制火车的重量，以减少火车的牵引动力消耗。
3.3 调整列车运行等级曲线
运营等级曲线旨在通过减少列车牵引系统的请求,降低牵引的能源消耗。运用列车运行等级曲线能够降低单一列车的动力消耗。采用的技术包括:
1)减少加速时间以降低高峰时速。列车降低了其加速度的总时间,从而减少了牵引请求,也就减少了列车的能源需求。
2）降低加速度以降低线速度。火车采用较小的加速度，这会减少牵引所需的动力，并最终减少火车的能源需求。
3)惰行。列车出站先加速,然后惰行,再减速,最后停在下一车站。如图1所示的曲线,列车达到最大线路速度后惰行,这样会造成运行时间将按特定比例有所增加(图1中虚线所示);与正常规定速度相比,列车减少了加速请求和牵引所需动力,从而减少了能耗。
4)有效利用重力来减少牵引系统所需的加速度。节能电路设计也是节能措施的重要方面。其中，设置节能斜率是非常必要的手段。节能坡度应符合地形，地质和行车安全条件的要求，并创造良好的运行条件。在地铁列车运行过程中，有效使用坡道可以降低所需的加速度水平（通过重力完成），从而降低运营成本和能耗。
3.4 列车的牵引制动性能
（1）根据线路实际情况，增加惰性工况
通过综合考虑列车分别处于各个不同工况下从电网取电的不同，在设计列车运行曲线时充分考虑列车处于不同时段、列车间隔的需求，采用高峰和非高峰时段区别对待，在非高峰时段增加惰行工况，达到节能的效果。
（2）列车制动能量再利用
城市轨道交通列车目前主要有三种制动方式，即反馈制动、电子制动、气制动。研究表明，列车的制动能量很大一部分都是消耗在了电子制动上，而将电子制动能量通过有效的回收再利用是列车节能问题上的一项重要举措。
3.5 采用移动闭塞的CBTC系统的节能功能
移动方块列车的容量通常比固定方块系统的容量高40％。40％的增加容量使CBTC系统能够通过调整和控制列车运行参数和曲线，最大程度地减少不必要的制动和频繁的加减速来实现节能，并平衡整个生产线的允许停车时间。
3.5.1 高峰时段的运行节能
在固定块系统中，列车的间隔间隔较长，而一个分区只能被一列火车占用，不利于缩短列车的运行间隔，从而增加了能耗。动块系统的灵活运行间隔使其在高峰期的节能效果显着。通常，在运营高峰期，出发密度大且乘客流动性快。前方列车的延误将导致频繁制动后续列车的可能性。由于缩短和均匀的最小列车间隔，在动块系统中这种制动的频率和持续时间大大减少，这使得后轮列车更靠近前轮列车并提高了运行效率。
3.5.2 非高峰时段的运行节能
在非高峰期，移动块系统可以通过降低车站之间火车的平均速度来实现节能。在这种情况下，可以根据需要减少停止时间，以确保整个火车运行时间。一般而言，非高峰时段的乘客较少，因此减少停车时间不会造成太多不便。
4 结语
总之，能耗在城市轨道交通的运营成本中占据着很大的比重,节能已经成为日益关注的焦点问题。采用移动闭塞技术的列车控制系统是节能的有效途径。
参考文献：
[1]李晋.城市轨道交通列车能耗监测及节能方案研究[J].铁道运输与经济,2017,39(4):95-100.
[2]郑伟.城市轨道交通列车运行等级节能研究[J].城市轨道交通研究,2018,21(10):108-111.
论文作者:张笑林 牛江佩
论文发表刊物:《城镇建设》2019年21期
论文发表时间:2019/12/16
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