CN111695815B - 城市轨道交通能耗测试与评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市轨道交通能耗测试与评价方法，将整车能耗分为牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗的两级能耗评价体系；采用台架测试对不同列车的牵引系统实际能耗进行测试，并根据辅助电源系统供电的各耗电设备独立工作时的能耗，估计辅助电源系统能耗；基于给定的全国典型工况的牵引能耗，考虑牵引能耗典型测试工况加权总人数与牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，将测试得到的牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗分别折算，得到牵引系统实际能耗评价指标与辅助电源系统能耗评价指标，并确定整车能耗评价指标。该评价方法实现了对各系统的能耗进行评估，确保了能耗评估的合理性，该列车能耗评价结果对列车设计和运营具有指导意义。

Description

城市轨道交通能耗测试与评价方法

技术领域

本发明属于轨道列车节能评估技术领域，尤其涉及一种城市轨道交通能耗测试与评价方法。

背景技术

能耗评价体系对已建成的轨道交通系统及根据规划建设中的系统有统一的评价能力，对轨道交通系统的运行和节能具有一定的理论及实际指导意义。目前，关于轨道交通的评价体系多集中于环境影响、费用效益分析、列车运行节能和项目的经济评估等方面，主要针对规划期和建设中的城市轨道系统提供建设参考，但具体针对轨道交通列车运行牵引能耗的测试和评估尚无具体标准。

因此，本发明结合我国城市轨道列车工作特点与运行状况，提供了一种城轨能耗测试与评价方法。

发明内容

本发明针对城市轨道交通列车运行牵引能耗，提供了一种城市轨道交通能耗测试与评价方法，将整车能耗分为牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗的两级能耗评价体系，分级进行能耗分析。

为了实现上述目的，本发明提供了一种城市轨道交通能耗测试与评价方法，将整车能耗分为牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗的两级能耗评价体系；

采用台架测试对不同列车的牵引系统实际能耗进行测试，牵引系统实际能耗＝列车牵引总能耗-制动回收能耗；

根据辅助电源系统供电的各耗电设备独立工作时的能耗，估计辅助电源系统能耗，辅助电源系统能耗为各耗电设备独立工作时的能耗之和；

基于给定的全国典型工况的牵引能耗，考虑牵引能耗典型测试工况加权总人数与牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，将测试得到的牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗分别折算，得到牵引系统实际能耗评价指标与辅助电源系统能耗评价指标，并确定整车能耗评价指标。

优选的，采用台架测试对不同列车的牵引系统实际能耗进行测试的方法为：

将整车牵引能耗转化为单变流器控制单电机的牵引能耗测试；

通过负载模拟技术，将被试整车动力模型折算到单台变流器上，模拟列车运行时由车重引起的惯量、线路引起的阻力；

将给定的全国典型工况作为目标速度，利用前馈PID控制器控制列车的速度，以保证实际速度在允许的公差范围内运行；

基于全国典型工况的牵引能耗，在不同负载率下测试牵引系统实际能耗。

优选的，基于全国典型工况的牵引能耗，在不同负载率下测试牵引系统实际能耗的方法为：

基于全国典型工况的牵引能耗：

E_{_con_牵引}＝α₁·E_{_空载_牵引}+α₂·E_{_1/4_牵引}+α₃·E_{_半载_牵引}+α₄·E_{_3/4_牵引}

+α₅·E_{_满载_牵引}

根据：

E_{_k_牵引}＝E_{_k_牵引_real}-a₁*E_{_k_再生_real}

在不同负载率下确定牵引系统实际能耗；

其中：α_i表示牵引能耗典型测试工况各满载率对应的加权系数，i＝1，2，…，5；E_{con_牵引}表示基于全国典型工况的牵引能耗，E_{_空载_牵引}表示列车6％满载率下的牵引能耗，E_{_1/4_牵引}表示列车25％满载率下的牵引能耗，E_{_半载_牵引}表示列车50％满载率下的牵引能耗，E_{_3/4_牵引}表示列车75％满载率下的牵引能耗，E_{_满载_牵引}表示列车93％满载率下的牵引能耗；a₁为制动能量回收权重，E_{_k_牵引}表示各满载率下的牵引系统实际能耗，k＝空载、1/4、半载、3/4、满载，E_{_k_牵引_real}表示各满载率下测得的不核减再生能量的牵引总能耗，E_{_k_再生_real}表示各满载率下测得的再生能量。

优选的，牵引系统实际能耗评价指标通过全国典型工况的牵引能耗折算得到，计算如下：

E_{_con_牵引_In}＝E_{_con_牵引}/(N/s)

其中：E_{_con_牵引_In}表示牵引系统牵引能耗评价指标，s表示牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，N表示牵引能耗典型测试工况加权总人数。

优选的，所述辅助电源系统能耗包括空调系统能耗、牵引变流器冷却单元能耗与其他设备能耗；辅助电源系统能耗评价指标通过全国典型工况的辅助电源系统能耗折算得到，包括空调系统能耗评价指标、牵引变流器冷却单元能耗评价指标、其他设备能耗评价指标，各评价指标计算如下：

其中：E_{_con_辅助_In}表示辅助电源系统能耗评价指标，E_{_con_空调_In}表示空调系统能耗评价指标，E_{_con_冷却_In}表示牵引变流器冷却单元能耗评价指标，E_{_con_其他_In}表示其他设备能耗评价指标；E_{i_In}表示各耗电系统能耗评价指标，i＝_con_空调、_con_冷却、_con_其他，E_ci表示测得的各耗电系统总能耗。

优选的，整车能耗评价指标根据牵引系统实际能耗评价指标与辅助电源系统能耗评价指标确定，计算如下：

E_{_con_整车_In}＝E_{_con_牵引_In}+E_{_con_辅助_In}。

优选的，牵引能耗典型测试工况加权总人数N计算如下：

N＝∑α_i*W_per*W_AW2/0.06

其中，W_AW2表示列车额定负载，为列车定员乘客重量；W_per表示列车的满载率；α_i表示牵引能耗典型测试工况各满载率对应的加权系数。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明针对城轨列车的能耗分析，提供了一种城市轨道交通能耗测试与评价方法，根据城市轨道列车能耗的特点，将整车能耗分为牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗的两级能耗评价体系，并基于给定的全国典型工况的牵引能耗，考虑牵引能耗典型测试工况加权总人数与牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，将测试得到的牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗分别折算，得到牵引系统实际能耗评价指标与辅助电源系统能耗评价指标，进而确定整车能耗评价指标。实现了对各系统的能耗进行单独评估，使列车能耗评价结果对列车设计和运营具有指导意义。同时，对城轨列车运行系统牵引能耗进行台架测试，适用于全国不同型号和地区列车的能耗测试，确保了能耗评估的合理性。

附图说明

图1为本发明城市轨道交通能耗测试与评价方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明旨在分析轨道交通列车运行牵引能耗影响因素，分析列车能耗结构和各因素关联度，将列车的整车能耗划分等级；研究列车运行牵引能耗测试试验方法、典型能耗测试工况、形成地面台架试验方案；建立轨道交通列车运行牵引能耗评价体系，包括关键装备的能耗试验方法、评价指标、评价方案，编制节能评价标准。基于此，本发明实施例针对城轨列车的能耗分析，提供了一种城市轨道交通能耗测试与评价方法，根据城市轨道列车能耗的特点，将整车能耗分为牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗的两级能耗评价体系，参考附图1，具体方法为：

(1)对于牵引系统实际能耗，牵引系统需要有足够的能量克服各种阻力，然后产生足够的加速度。此外，现在的城市轨道交通列车普遍应用了制动能量回收技术，在制动时能回收部分能量。所以，牵引系统实际能耗等于牵引系统总能耗减去制动回收的能量。列车牵引系统的能耗会根据每个时刻的运行状态发生变化，包括列车的速度、加速度、自身负荷、轨道状态、道路坡度等都会随时影响列车的能耗。考虑到这些因素随时都可能发生变化，要准确合理的评价不同列车的牵引系统能耗，首先要保证能耗测试基于统一标准，这样测得的结果才能体现出不同列车的差异导致的能耗区别。台架试验是在标准试验环境下进行能耗和排放测试的常用方法，可以满足城轨列车能耗测试的要求，所以，本实施例中选择台架测试方法对不同列车的牵引系统实际能耗进行测试。该台架测试方法具体为：

将整车牵引能耗转化为单变流器控制单电机的牵引能耗测试；

采用“被试电机+扭矩转速传感器+高速飞轮+加载电机”的机械机构，通过负载模拟技术，将被试整车动力模型折算到单台变流器上，模拟列车运行时由车重引起的惯量、线路引起的阻力；

将给定的全国典型工况作为目标速度，利用前馈PID控制器控制列车的速度，以保证实际速度在允许的公差范围内运行；

基于给定的全国典型工况的牵引能耗：

E_{_con_牵引}＝α₁·E_{_空载_牵引}+α₂·E_{_1/4_牵引}+α₃·E_{_半载_牵引}+α₄·E_{_3/4_牵引}

+α₅·E_{_满载_牵引}

根据：

E_{_k_牵引}＝E_{_k_牵引_real}-a₁*E_{_k_再生_real}

在不同负载率下确定牵引系统实际能耗；

其中：α_i表示牵引能耗典型测试工况各满载率对应的加权系数，i＝1，2，…，5；E_{con_牵引}表示基于全国典型工况的牵引能耗，E_{_空载_牵引}表示列车6％满载率下的牵引能耗，E_{_1/4_牵引}表示列车25％满载率下的牵引能耗，E_{_半载_牵引}表示列车50％满载率下的牵引能耗，E_{_3/4_牵引}表示列车75％满载率下的牵引能耗，E_{_满载_牵引}表示列车93％满载率下的牵引能耗；a₁为制动能量回收权重，E_{_k_牵引}表示各满载率下的牵引系统实际能耗，k＝空载、1/4、半载、3/4、满载，E_{_k牵引_real}表示各满载率下测得的不核减再生能量的牵引总能耗，E_{_k_再生_real}表示各满载率下测得的再生能量。

然后，考虑到城市轨道交通的任务是运送乘客，故“客运周转量能耗指标”比较客观反映“城市轨道交通的有效性”。并且轨道车辆牵引、空调系统能耗与人员联系紧密，故而拟采用客运周转量能耗指标为轨道车辆牵引、空调系统能耗评估标准。因此，本实施例中考虑牵引能耗典型测试工况加权总人数与牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，将测试得到的牵引系统实际能耗折算，得到牵引系统实际能耗评价指标，即：

E_{_con_牵引_In}＝E_{_con_牵引}/(N/s)

N＝∑α_i*W_per*W_AW2/0.06

其中：E_{_con_牵引_In}表示牵引系统牵引能耗评价指标，s表示牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，N表示牵引能耗典型测试工况加权总人数，α_i表示牵引能耗典型测试工况各满载率对应的加权系数，W_per表示列车的满载率，W_AW2表示列车额定负载，为列车定员乘客重量。

(2)对于辅助电源系统能耗，城轨列车的辅助电源系统能耗主要包括空调系统能耗、牵引变流器冷却单元能耗和其他设备的能耗。这些设备的能耗可以根据在各耗电设备独立工作时的能耗，估计辅助电源系统能耗，辅助电源系统能耗为各耗电设备独立工作时的能耗之和。辅助电源系统能耗评价指标通过全国典型工况的辅助电源系统能耗折算得到，包括空调系统能耗评价指标、牵引变流器冷却单元能耗评价指标、其他设备能耗评价指标，即：E_{_con_辅助_In}＝E_{_con_空调_In}+E_{_con_冷却_In}+E_{_con_其他_In}；

其中，E_{_con_辅助_In}表示辅助电源系统能耗评价指标，E_{_con_空调_In}表示空调系统能耗评价指标，E_{_con_冷却_In}表示牵引变流器冷却单元能耗评价指标，E_{_con_其他_In}表示其他设备能耗评价指标。

然后，基于给定的全国典型工况的牵引能耗，考虑牵引能耗典型测试工况加权总人数与牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，将测试得到的辅助电源系统能耗折算，得到辅助电源系统能耗评价指标，即：

其中：E_ci表示测得的各耗电系统总能耗，E_{i_In}表示各耗电系统能耗评价指标，i＝_con_空调、_con_{_}冷却、_con_{_}其他；s表示牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，N表示牵引能耗典型测试工况加权总人数，α_i表示牵引能耗典型测试工况各满载率对应的加权系数，W_per表示列车的满载率，W_AW2表示列车额定负载，为列车定员乘客重量。

(3)然后根据确定的牵引系统实际能耗评价指标与辅助电源系统能耗评价指标得到整车能耗评价指标，即：

E_{_con_整车_In}＝E_{_con_牵引_In}+E_{_con_辅助_In}

其中，E_{_con_整车_In}表示整车能耗评价指标，E_{_con_牵引_In}表示牵引系统实际能耗评价指标，E_{_con_辅助_In}表示辅助电源系统能耗评价指标。

综上，本发明针对城轨列车的能耗分析，提供了一种城市轨道交通能耗测试与评价方法，根据城市轨道列车能耗的特点，将整车能耗分为牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗的两级能耗评价体系，并基于给定的全国典型工况的牵引能耗，考虑牵引能耗典型测试工况加权总人数与牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，将测试得到的牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗分别折算，得到牵引系统实际能耗评价指标与辅助电源系统能耗评价指标，进而确定整车能耗评价指标。实现了对各系统的能耗进行单独评估，使列车能耗评价结果对列车设计和运营具有指导意义。同时，对城轨列车运行系统牵引能耗进行台架测试，适用于全国不同型号和地区列车的能耗测试，确保了能耗评估的合理性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种城市轨道交通能耗测试与评价方法，其特征在于，将整车能耗分为牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗的两级能耗评价体系；

采用台架测试对不同列车的牵引系统实际能耗进行测试，牵引系统实际能耗＝列车牵引总能耗-制动回收能耗；

根据辅助电源系统供电的各耗电设备独立工作时的能耗，估计辅助电源系统能耗，辅助电源系统能耗为各耗电设备独立工作时的能耗之和；

基于给定的全国典型工况的牵引能耗，考虑牵引能耗典型测试工况加权总人数与牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，将测试得到的牵引系统实际能耗与辅助电源系统能耗分别折算，得到牵引系统实际能耗评价指标与辅助电源系统能耗评价指标，并确定整车能耗评价指标；

采用台架测试对不同列车的牵引系统实际能耗进行测试的方法为：

将整车牵引能耗转化为单变流器控制单电机的牵引能耗测试；

通过负载模拟技术，将被试整车动力模型折算到单台变流器上，模拟列车运行时由车重引起的惯量、线路引起的阻力；

将给定的全国典型工况作为目标速度，利用前馈PID控制器控制列车的速度，以保证实际速度在允许的公差范围内运行；

基于全国典型工况的牵引能耗,在不同负载率下测试牵引系统实际能耗；

基于全国典型工况的牵引能耗,在不同负载率下测试牵引系统实际能耗的方法为：

基于全国典型工况的牵引能耗：

E_{_con_牵引}＝α₁·E_{_空载_牵引}+α₂·E_{_1/4_牵引}+α₃·E_{_半载_牵引}+α₄·E_{_3/4_牵引}+α₅·E_{_满载_牵引}

根据：

E_{_k_牵引}＝E_{_k_牵引_real}-a₁*E_{_k_再生_real}

在不同负载率下确定牵引系统实际能耗；

其中：α_i表示牵引能耗典型测试工况各满载率对应的加权系数，i＝1，2，…，5；E_{con_牵引}表示基于全国典型工况的牵引能耗，E_{_空载_牵引}表示列车6％满载率下的牵引能耗，E_{_1/4_牵引}表示列车25％满载率下的牵引能耗，E_{_半载_牵引}表示列车50％满载率下的牵引能耗，E_{_3/4_牵引}表示列车75％满载率下的牵引能耗，E_{_满载_牵引}表示列车93％满载率下的牵引能耗；a₁为制动能量回收权重，E_{_k_牵引}表示各满载率下的牵引系统实际能耗，k＝空载、1/4、半载、3/4、满载，E_{_k_牵引_real}表示各满载率下测得的不核减再生能量的牵引总能耗，E_{_k_再生_real}表示各满载率下测得的再生能量。

2.根据权利要求1所述的城市轨道交通能耗测试与评价方法，其特征在于，牵引系统实际能耗评价指标通过全国典型工况的牵引能耗折算得到，计算如下：

E_{_con_牵引_In}＝E_{_con_牵引}/(N/s)

其中：E_{_con_牵引_In}表示牵引系统牵引能耗评价指标，s表示牵引能耗典型测试工况列车行驶总里程，N表示牵引能耗典型测试工况加权总人数。

3.根据权利要求2所述的城市轨道交通能耗测试与评价方法，其特征在于，所述辅助电源系统能耗包括空调系统能耗、牵引变流器冷却单元能耗与其他设备能耗；辅助电源系统能耗评价指标通过全国典型工况的辅助电源系统能耗折算得到，包括空调系统能耗评价指标、牵引变流器冷却单元能耗评价指标、其他设备能耗评价指标，各评价指标计算如下：

其中：E_{_con_辅助_In}表示辅助电源系统能耗评价指标，E_{_con_空调_In}表示空调系统能耗评价指标，E_{_con_冷却_In}表示牵引变流器冷却单元能耗评价指标，E_{_con_其他_In}表示其他设备能耗评价指标；E_{i_In}表示各耗电系统能耗评价指标，i＝_con_空调、_con_冷却、_con_其他，E_ci表示测得的各耗电系统总能耗。

4.根据权利要求3所述的城市轨道交通能耗测试与评价方法，其特征在于，整车能耗评价指标根据牵引系统实际能耗评价指标与辅助电源系统能耗评价指标确定，计算如下：

E_{_con_整车_In}＝E_{_con_牵引_In}+E_{_con_辅助_In}。

5.根据权利要求2或3所述的城市轨道交通能耗测试与评价方法，其特征在于，牵引能耗典型测试工况加权总人数N计算如下：

N＝∑α_i*W_per*W_AW2/0.06

其中，W_AW2表示列车额定负载，为列车定员乘客重量；W_per表示列车的满载率；α_i表示牵引能耗典型测试工况各满载率对应的加权系数。

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