列车运行能耗模拟器和新型节能车辆引入效果预测案例

为了在铁路节能新技术引进前预测其效果，铁道研究院开发了列车运行能耗模拟器，用于计算直流电气化铁路列车的能耗。 该模拟器可以综合考虑外界温度引起的空调负荷变化等因素，能够全面模拟真实环境下列车按运行时刻表运行的能耗情况。 该模拟器可用于更准确地研究和预测节能技术引进的效果。 本文将以储能装置和新型节能汽车的引入效果预测为例进行说明。

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列车运行能耗模拟器

结构与功能

列车运行能耗模拟器是一套模拟直流电气化铁路列车运行，计算消耗电能的模拟设备。 其结构和功能如图1所示。模拟器由运行管理单元、馈线计算单元、车辆计算单元、运行曲线计算单元四部分组成。 运行管理单元负责按照设定的列车运行时刻表模拟列车发车，并调用和管理三个计算单元； 运行曲线计算单元负责计算模拟列车发车后的列车加速度和位置，生成列车运行曲线，并根据牵引力计算列车运行曲线。 根据变化进行调整，确定列车的牵引、滑行、制动等运行状态； 车辆计算单元通过求解运动方程计算列车的牵引力和制动力，并计算接触网电流，其计算结果将辅助列车运行曲线的生成和调整以及接触网电压的计算； 馈回路计算单元根据运行曲线计算单元得到的列车位置和车辆计算单元得到的接触网电流，通过求解电路方程计算出接触网电压，并将电压计算结果反馈给车辆计算单元协助其计算悬链线电流。 列车运行过程中，牵引力会随着接触网电压的变化而变化，接触网电压也会随着列车位置、列车运行时刻表和运行曲线的变化而波动。 可见，上述因素相互影响、相互依赖。

列车运行能耗模拟器具有评估列车运行能耗和优化列车运行曲线的功能，如图2所示。列车运行曲线对列车能耗的计算有着至关重要的影响。 模拟器可以根据规定的区间运行时间，产生接近列车实际运行方式的列车运行曲线，并评估相关能耗，从而达到优化列车运行曲线的目的。 具体操作方法是：首先建立一条间隔运行时间最短的标准列车运行曲线，然后依次插入适当的闲置距离来匹配规定的间隔运行时间，最终得到更加经济节能的列车运行曲线。

列车运行能耗分为两类，即用于列车牵引、制动的主回路能耗和用于车内照明、空调等辅助设备的辅助回路能耗。 其中，空调系统的能耗会随着季节变化而出现较大波动，因此计算时必须考虑季节变化的因素。 辅助回路能耗随室外温度的变化趋势如图3所示。从图中可以看出，室外温度较低时开启暖气技能模拟器，室外温度较高时使用空调制冷会导致导致辅助电路的能耗增加。

列车运行能耗模拟器是经过多次测量测试和验证而开发的。 图4中的列车运行能耗验证数据是经过一年多的测量积累的经验数据。 从图中可以看出，除了室外温度变化外，还有其他因素导致列车运行能耗波动。 然而模拟器的计算值仍然分布在测量平均值附近，证明其模拟结果相当可靠。

02

再生制动相关节能技术

再生制动技术的节能原理如图5所示。列车再生制动产生的电能可以通过接触网灵活地转移到附近其他处于牵引状态且需要消耗电能的列车。 但如果线路交通密度较低、车距较长，或者列车因连续小半径弯道、连续下坡等需要连续制动，则再生制动产生的电能可能无法发挥作用。充分利用。 这种情况下，如果是在直流电气化区段，为了防止接触网电压升得太高，列车需要减少甚至停止使用再生制动，而使用空气制动来减速。 这称为再生制动故障。 如果可以降低再生制动故障的频率，则可以进一步节省能源。

为此，出现了许多节能技术：在直流电气化线路变电站等供电设施中安装用于储存再生电能的储能装置和再生电能专用逆变器，以实现站内环境控制、照明等。设备可利用再生电能； 此外，为了将再生电能有效分配给远处的列车，可以在列车上安装再生电能集中控制设备，协调列车之间的供电和用电关系。

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节能技术引进效果预测

列车运行能耗模拟器是为了模拟、再现和研究上述再生制动失效现象而开发的仿真系统，并能预测节能技术的引入效果。 下面将以储能装置和新型节能汽车的引入效果预测为例进行说明。

3.1 储能装置的节能效果

再生制动失效现象通常发生在空调负荷较低的春秋季节，这意味着旨在抑制再生制动失效的储能装置在春秋季节的节能效果要好于冬夏季节。 。 因此，评估储能装置的节能效果时需要考虑空调负荷的季节变化。 铁道综合研究院首先利用列车运行能耗模拟器，对有储能装置和无储能装置的线路模拟三种不同的空调负荷模式，计算出各模式对应的一天能耗，如图6所示显示； 然后，根据从气象局数据库获取的实际测量的室外温度值，计算出一年中每种空调负载模式的使用天数，如图7所示； 最后，比较各空调负载模式每天的能耗，乘以使用天数，即可计算出一年的总能耗，如图8所示。从图中可以看出有储能装置的线路一年能耗普遍低于无储能装置的线路。 储能装置的引入有助于线路节能。

3.2 新型节能汽车的节能效果

下面将介绍一个对配备更加节能的牵引电机和逆变器的新车的节能效果进行预测的案例。

在列车加速性能提高的情况下，其运行方式大致可分为以下两种：一是通过提高加速性能来缩短运行时间，即省时运行方式，如图所示图9a； 另一种是在启动高加速时使用，在满足间歇运行时间的前提下，尽早停止加速并延长怠速时间，即节能运行模式，如图9b所示。 不同的运行模式会导致不同的能耗，因此在评估列车能耗之前需要设置合适的运行模式。 对于配备更多节能设备的新车，评价其节能效果不仅需要设定其运行模式，还要考虑机器设备效率的提升。 即应正确评估节能效果是由于运行方式的改变还是由于机器设备效率的提高而产生的。 。

为此，铁道综合研究院利用列车运行能耗模拟器，对现有车辆正常运行、新车省时运行模式、新车节能运行模式的能耗进行了对比。 计算结果如图10、图11所示。从图中可以看出，新车即使采用省时运行模式，能耗也较低； 如果采用节能运行方式，能源消耗将进一步降低。

参考

[1] 小川智之，竹内洋子，森本大观。 全省列车运营电力技术引进效果预测[J].鉄道総综合, 2021 (10): 20-23.

[2]基于列车运行能耗模拟器的日本节能技术效果预测[J]. 现代城市轨道交通，2022（7）：112-115。

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