学海泛舟Academic Research
关键词：有轨电车；能耗；制动电阻；回馈制动
中图分类号：U428.1 文献标志码：A
Analysis Energy Consumption of Beijing Xi Jiao Modern Tram
Liu Yanming Xin Yunfeng Fu Hailong Wang Ping
(Beijing Public Transport Corporation Xijiao Line Co.,Ltd., Beijing, 100080)
Abstract: Combined with the characteristics of Xi Jiao line,through the electric energy composition, the data statistics and circuit analysis of high and low peak .The data shows that passenger capacity is an i
mpotrtant facor,the energy consumption is mainly concentrated in traction, braking resistor worked infrequently and energy is limited,the electric energy feedback network is obvious.
Key words: modern tram; energy consumption;brake resistor;brake feedback
现代有轨电车西郊线车辆能耗分析
刘燕明 莘云峰 付海龙 王 平
（北京公交有轨电车有限公司西郊线分公司，北京 100080）
引言
近年来，我国城市轨道交通正处于大规模发展时期，现代有轨电车凭借载客量适中、安全舒适、快速便捷、节能降噪等特点逐渐成为一种新的出行方式[1]。西郊线是北京第一条现代有轨电车线路，独立路权不受交通拥堵影响，信号优先节约了乘客乘车时间等，体现了现代有轨电车的优势。在享受以上便利的同时，有轨电车公司更关注电车的能量消耗，因此，分析并研究现代有轨电车的能量消耗是非常必要的。
1 现代有轨电车的基本概况
1.1 线路基本条件
西郊线有轨电车车辆全长32.35m，全程共
8.8km，设6座车站，列车额定供电750V，正线线
路最大坡度56‰，正线最小曲线半径60m，西郊线有轨电车站停少，站间距短，线路曲线多、半径小，坡度大。
1.2 车辆能耗组成
有轨电车能耗分为列车牵引能耗、辅助能耗及其它能耗三个部分[2]。车辆通过接触网取电，一部分经过牵引系统为车辆提供动力。另外一部分经过辅助系统提供车辆必需的DC24V 和AC380V 电源。西郊线全列车共四台电机，每台电机功率106kW，总共424kW，占整列车辆约80%的电力能耗。
1.3 基本原理
由于西郊线路坡道、弯道以及路口较多，车辆运行时需频繁地牵引、制动控制车速，其能量消耗和反馈相当可观。制动分为电制动、液压制动和磁轨制动三种，车辆制动初始阶段采用电制动，电制
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动包含电阻制动和再生制动。电制动时电机处于发电状态，产生制动转矩，转速下降[3]。若该过程将动能转化为电能反馈送入电网，可以给同一供电区段相邻车辆使用，称为再生制动。若这部分能量使网压抬升到一定值（1000V）时，电网不能再吸收，此时控制系统会接通制动斩波电路，利用制动电阻将电能消耗，同时制动能量被浪费，称为电阻制动。制动电阻基本情况见表1。
2 数据采集
2.1 数据采集时间
西郊线平均发车间隔为6min，由于司机操作方式不同，所以运行、制动时间点、次数也不相同。每年的桃花节、红叶节乘客数量要比平日成指数增加，因此，能量消耗数据的采集分别在客流高峰和低峰运行时进行（表2）。
2.2 信号采样
西郊线有轨电车为5节编组，MA-RA-P-RB-MB，其中MA 和MB 为2个动车，RA 和RB 为2个悬浮车，P 车为带受电弓的拖车。全列车共4个牵引电机，牵引电机有独立的牵引电路，每个控制单元都有相应数据信号采集接口，通过这些信号的采集，经过矢量控制算法，实现转子磁通和电机扭矩的单独控制，从而精准控制逆变器的闭合，最终精准控制电机运行。
图1为列车牵引主电路，
信号U C 、I 1、I R 采集点如图标注所示。信号采集点意义见表3。
3 计算方法
3.1 概念
（1）牵引系统输入能耗（E 输入）：列车在区
间运行时牵引系统从电网取得的总电能，即
表1 西郊线制动电阻基本情况
表2
数据采集时间
表3 信号采集点意义图1 电路采集点
U C
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表4 高峰期间列车下行测量数据 （kW·
h）
表6 低峰期间列车下行测量数据 （kW·
h）
表5 高峰期间列车上行测量数据 （kW·
h）
表7 低峰期间列车上行测量数据 （kW·h） ………………………… （1）
式中，t1和t2为运行时间；U C为输入
电压；I1为输入电流。
（2）再生制动馈入电网电能（E再生制动）：
列车在区间运行时通过再生制动反馈进电网
的电能，即
………………… （2）
式中，t1和t2为运行时间；U C为输出
电压；-I1为输出电流。
（3）制动电阻能耗（E制动电阻）：制动
斩波相开通时在制动电阻上消耗的能量。
……………………… （3）
式中，t1和t2为运行时间；I R为制动
电阻电流；R为制动电阻。
（4）实际牵引电能（E实际牵引）：列车
在区间运行时牵引系统实际消耗的电能，即
………………… （4）
（5）再生制动馈入电网电能占列车牵
引系统输入能量的比率（α），即
…………………………… （5）
含义：牵引时，牵引系统吸收电网电能，
将其转化为列车动能；制动期间，把列车动
能转化为电能；公式（5）定量反映了能量
转移到电网的情况。
（6）制动电阻能耗占列车实际牵引电
能的比率（），即
……………………………… （6）
含义：从电网角度来说可以认为没有被
反馈回电网的能量全部被列车吸收；对于车
辆而言，大部分用于牵引、制动的过程消耗，
一小部分被制动电阻消耗。公式（6）反映
了用于制动电阻的能量消耗与列车整个过程
消耗的关系，定量体现了制动电阻的价值[4]。
4 能耗测试数据
车辆运行过程中，通过IDU以及车辆
ERM数据计算得到表4 -表7。因为司机
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图2 数据对比图
对车辆的操作差异，因此对高峰和低峰的车辆数据进行多次采样，确保数据准确。其中香山到巴沟为上行线路，巴沟到香山为下行线路。
5 测量结果及其分析
将以上数据带入公式（5）和公式（6），经计算得到数据对比如图2所示。
通过数据分析表明：
（1）通过对载客数量高峰、低峰期的能耗数据对比，载客量是影响车辆牵引能耗的重要因素[5]，高峰期牵引能耗明显高于低峰期的牵引能耗。
（2）虽然载客量不同，但是制动电阻的实际工作次数较少，所以制动电阻能量消耗没有发生明显变化。
（3）通过对车辆运行数据统计，车辆上行香山至植物园站间，由于线路处于下坡路段，车速限制，车辆呈制动状态，电机处于发电工作阶段，相对其它站有所不同，此时回馈电网能量大于牵引消耗能量。
（4）综合表4 -表7数据，列车“牵引系统输入能量”在整个线路上下行过程中，制动有大约41.35%能量反馈回电网，在“列车实际牵引电能”中有大约0.3%被制动电阻消耗。列车约58.7%的
输入能量在其运行过程中用于列车牵引、制动等消耗，这与行驶线路、部件配合、牵引系统的工作效率有关。从能源损失的角度看，在合理安排行车的情况下，车辆起动和制动配合到位，反馈回电网的能源，可以被其他车辆吸收利用，反馈回电网上的能量不会被浪费，可以提高电能利用率，减少电能消耗[6]。
6 结论
目前西郊线有轨电车牵引部分消耗了大部分电能用于牵引、惰性、制动各阶段的系统消耗。车辆反馈制动效果明显，如果列车反馈制动时，同一供电区间内恰好有其他列车处于牵引状态，那么列车反馈的能量可以被吸收利用，反馈制动也能起到很好的效果；制动电阻消耗的能量很少，没有造成过
多能源浪费，虽然目前制动电阻的作用不大，但是它并不能被取代。
参考文献:
[ 1 ] 王贵国，张华，臧晓燕，付稳超等.现代有轨电车车辆
系统[M].机械工业出版社,2018.1.
[ 2 ] 苏浚，宿亚军，唐光华.广州现代有轨电车能耗与节
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南交通大学硕士学位论文,2017.
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