1、书书书第 27 卷第 6 期2022 年 12 月哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报JOUNAL OF HABIN UNIVESITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.27No.6Dec.2022特约稿件城市地铁列车整车能耗和运行时间平衡优化吴晓刚1，陈宇1，郭豪琦1，杜玖玉2(1 哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，哈尔滨 150080;2 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)摘要:针对地铁列车节能高效运行的需求，在构建地铁列车牵引能耗计算模型的基础上，分析地铁列车辅助装置功率不同时，整车能耗随列车巡航速度的变化趋势。利用线性加权法定量计算地
2、铁列车整车能耗和运行时间对应的最优巡航速度工况，定量分析地铁列车的节能潜力，为地铁列车节能高效运行提供参考。结果表明，不同辅助装置功率条件下，通过优化列车的巡航速度，可以有效降低地铁列车的整车能耗，最大节能潜力可达 19 13%。关键词:地铁列车;能耗;牵引系统;辅助设备;节能潜力DOI:10 15938/j jhust 2022 06 001中图分类号:TU284 1文献标志码:A文章编号:10072683(2022)06000112Balance Optimization of Energy Consumptionand unning Time for Urban Metro Trains
3、WU Xiao-gang1，CHEN Yu1，GUO Hao-qi1，DU Jiu-yu2(1 School of Electric and Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China;2 State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy，Tsinghua University，Beijing 100084，China)Abstract:In view of the energy-saving and efficient opera
4、tion of metro trains(MTs)requirements，this paperanalyzes the change trend of MT energy consumption with cruise speed when the power of auxiliary devices of metrotrain changes based on the calculation model of traction energy consumption of MT The linear weighting method isused to quantitatively calc
5、ulate the optimal cruise speed condition corresponding to the energy consumption andrunning time of the whole MT，and the energy saving potential of the MT is analyzed from a quantitative perspectiveto provide reference for the energy saving and efficient operation of the MTs The results show that un
6、der differentauxiliary device power conditions，the optimized cruise speed of the MT can effectively reduce the energyconsumption of the whole MT，and the maximum energy saving potential can reach 19 13%Keywords:metro trains;energy consumption;traction system;auxiliary devices;energy-saving potential收
7、稿日期:2022 01 01基金项目:国家自然科学基金(51105220)作者简介:陈宇(1997)，女，博士研究生;郭豪琦(1993)，男，硕士通信作者:吴晓刚(1981)，男，博士，教授，博士研究生导师，E-mail:xgwu hrbust edu cn0引言地铁列车因其可靠性高、运力大、排放无污染、不拥堵等特点近年来得到迅速发展1。与此同时，伴随着巨大的能源需求。如何让列车节能高效运行成为人们日益关注的焦点问题。为了提升地铁列车运行的能量效率，国内外学者针对地铁列车节能运行优化控制等问题开展了相关研究。主要体现在地铁列车的运行速度及时刻优化、能耗计算及分析两个方面。在地铁列车运行速度及时
8、刻优化方面，Yang 等2 考虑列车质量、可变牵引力、制动力和基本运行阻力的不确定性，建立了列车综合时刻表和速度分布优化问题的两阶段随机规划模型。Li 等3 提出了一种包括列车时刻表和速度工况的动态调度和综合优化方法，用于提高地铁轨道系统的运行管理和能耗效率。Su 等4 基于OTCS(optimal train control simulator)系统分析了最优控制模型是如何对牵引能耗产生影响。Sun 等5 利用双目标优化方法，构建了一种时刻表优化模型，用于减少城市轨道交通系统中乘客等待时间和净能耗。对于列车频繁的加速和制动，Tian 等6 提出了一种多列车牵引网格建模方法，以确定列车再生制动
9、过程中铁路系统的能量流。牵引能量优化不一定是变电站系统能耗的最佳解决方案。Gu 等7 结合解析与数值方法推导出了基于实时交通信息的节能列车运行模型，并提出了列车自动监控系统实时监控区间运行时间的节能驾驶策略，该模型降低了传统推导方法的计算复杂度。Su 等8 分析了节能列车运行的层次结构，提出了一种综合算法来实现全局最优运行调度，从而获得较好的节能性能。Feng等9 采用计算机辅助仿真程序，从节能和提高运输效率的角度出发，寻找了不同站间距的地铁适合的最大运行速度即列车巡航速度。Huang 等10 提出了一种多目标规划模型，考虑乘客出行时间和运营能耗来共同优化时间表，并通过一系列数值实验验证了该模
10、型和求解方法的有效性。Ning 等11 提出了城市轨道交通运营规划的两阶段方法，包括运行时间分配和可再生能源利用，案例研究表明，所提出的规划方法可以实现可观的节能效果。在地铁列车中的能效计算及分析的研究方面，Liu 等12 建立了空调列车车厢动态冷负荷的数学模型讨论了环境条件和机体蓄热对冷负荷变化的影响。结果表明，最大总冷负荷在 40 4 kW 43 8 kW之间，最小值在 4 5 kW 33 7 kW 之间。Liu 等13 为了保证室内空气质量的健康和能耗的最小化，提出了一种确定模型预测控制最优设定值的多目标优化方法。Powell 等14 评估了泰恩威尔地铁系统(英国)稳定车辆能耗的实验研究
11、的方法和结果。结果显示，车辆总能耗的大约 11%是由于车辆稳定运行时车载辅助装置所致。Xing 等15 对行驶坡道进行化简，建立了列车的节能操作模型，融合限速的操纵策略并用改进的遗传算法优化权重的调节，在保证运行时间符合规定的同时达到 15 2%的节能效果。综上所述，在地铁列车能效计算及优化方面，针对不同辅助装置状态下，地铁列车节能潜力的计算分析少有报道。为此，本文将牵引系统能耗和辅助装置能耗进行综合考虑，通过构建地铁列车能耗计算模型，在此基础上定量分析列车整车能耗随时间和巡航速度的变化趋势，进而得到优化巡航速度实现节能的潜力。本文的组织如下，第 1 章对地铁列车系统结构和能流进行了分析。第
12、2 章构建了地铁列车整车能耗模型。第 3 章分析了地铁列车整车节能潜力的分析方法。第 4 章在验证所构建模型的基础上，定量分析了地铁节能运行的潜力。1地铁列车系统结构与能流分析地铁列车主要包括牵引系统和辅助装置，图 1为列车系统结构图。地铁列车运行过程中，通过受电弓或集电靴从接触网或第三轨获取电能，用于驱动列车内部的牵引系统和为辅助装置相关部件供电。图 1地铁列车能耗系统结构图Fig 1Metro train configuration2哈尔滨理工大学学报第 27 卷其中，牵引系统主要包括:牵引变流器、牵引电机、齿轮箱、联轴节和车轮车轴等部件。列车运行时牵引系统中能量的传递是双向的，在牵引阶段
13、，电能从接触网或第三轨经过能量传递和转换装置，转换为轮周输出侧的动能为列车提供牵引力。在制动阶段，列车的动能从轮周输出侧经过能量传递转换装置转换为电能输入到接触网。由于辅助装置中能量的传递是单向的，因此能量只能从接触网经过 DC-AC 或 DC-DC 变换器传递到通风设备、加热器、照明系统、空气压缩机、控制器等负载，以满足乘客乘车的安全性和舒适性。列车运行时，牵引系统中的牵引变流器是实现能量双向传递的关键部件。在牵引阶段，将接触网输入的直流电转换为交流电用于驱动牵引电机;在制动阶段，将电机作为发电机输入的交流电转换为直流电输送回接触网。而牵引电机是电能和机械能相互转换的枢纽。在牵引阶段，将电能
14、转换为机械能用于驱动列车运行;在制动阶段，将机械能转换为电能实现列车制动。齿轮箱则用于增加电机的输出转矩，提升系统驱动力。牵引系统能耗受线路条件、运行工况、载客量、列车自身因素等多种因素影响。列车运行过程时，辅助装置中的通风设备、照明设备、控制设备的功率相对稳定，影响其功率变化的主要因素是由于外界环境温度变化时，为满足乘客乘车的舒适性，导致的列车中加热器和空气压缩机功率的变化，进而导致其能耗发生相应变化。2整车能耗模型构建为了分析地铁列车的能耗影响因素，本文构建了包括牵引系统能耗和辅助装置能耗的地铁列车整车能耗模型。地铁列车整车能耗计算为Etot_act_ene(t)=nt=0Etra_ene
15、(t)+nt=0Eaux_ene(t)(1)式中:Etot_act_ene为整车能耗(kWh);Etra_ene为牵引系统总能耗(kWh);Eaux_ene为辅助装置总能耗(kWh);t 为列车运行时间(s);n 为最大运行时间(s)。2 1牵引系统能耗模型本文所建立的牵引系统能耗仿真模型，包括列车动力学模型和牵引系统能量传递效率模型两部分。其中动力学模型包括加速阻力模型、运行阻力模型、制动力模型三部分，通过动力学模型可以计算出列车运行过程中轮周侧的需求牵引力和需求功率。利用列车轮周侧需求功率结合牵引传动系统各部件的能量传递效率，可以计算得到列车牵引系统需求功率，对需求功率进行积分运算进而得到
16、列车牵引系统能耗。地铁列车牵引系统能耗模型搭建流程图如图 2 所示。图 2地铁列车牵引系统建筑能耗模型流程图Fig 2Flow chart of energy consumption modelfor the metro train traction system速度工况是列车动力学模型构建的基础，地铁列车运行时典型的速度工况如图 3 所示，一个完整的站与站之间速度工况包括加速、巡航、惰行和制动4 个阶段。地铁列车运行各阶段对应的应力条件如下16。图 3地铁列车的典型速度曲线Fig 3Typical metro train driving cycle不同阶段列车对应不同的受力情况如下:1)加速阶段:地铁列车加速度逐渐变小，牵引力需要克服基本阻力、附加阻力和加速阻力才能做3第 6 期吴晓刚等:城市地铁列车整车能耗和运行时间平衡优化功17。列车受力情况为Ftra(t)Frun_res(t)=Facc_res(t)(2)式中:Ftra(t)为牵引力(N);Frun_res(t)为运行阻力(N);Facc_res(t)为加速阻力(N)。2)巡航阶段:列车匀速运行，加速阻力消失，牵引力与基本阻力
