动车组列车运行能耗实验

10．1 实验相关知识点

1．动车组列车运行能耗的主要影响因素及计算方法；2．动车组列车运行能耗曲线的原理与作用；

3．动车组列车再生能量利用原理的基本概念与基础理论。

10．2 实验目的及所需实验技能

列车运行能耗是一项重要经济指标，其不仅表示运营成本的高低，也反映运输组织工作水平。列车运行能耗取决于机车类型、牵引质量、线路纵断面、运行速度、停站时间、机车状态等多种因素，与司机的操纵水平也有很大关系。

虽然与其他交通方式相比，铁路具有能耗低、污染小和运量大等优势，但随着列车运行速度的提高、运量的增加、运行距离的延长，铁路列车运行总能耗也在不断加大，这对铁路的节能和环保方面提出了新的挑战。随着全球资源日益匮乏，环境污染日趋严重，能源问题越来越受到重视，良好的节能环保性能是保证铁路运输系统可持续发展、取得较好社会效益与经济效益的前提。

本实验基于“轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统”中的列车运行特性分析软件，以沪杭高铁为背景，以CRH380A动车组列车为仿真对象，进行列车运行能耗实验。

要求学生通过实验，了解基于能耗曲线的列车运行能耗测算方法，理解列车运行能耗曲线的基本含义和作用，掌握列车节能运行与再生能量利用的基本概念和基础理论。

10．3 实验内容和要求

1．了解测算列车运行能耗的主要方法、列车运行能耗的主要影响因素。

2．理解列车运行能耗曲线与列车牵引特性曲线的关系。

3．掌握区间内牵引驾驶策略的概念。

4．研究同一个区间内不同列车牵引运行策略与能耗的关系，采用模拟驾驶方法对运行能耗进行仿真计算，对结果进行比较和定性分析。

10．4 实验主要仪器设备和其他材料

1．主要仪器设备

轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统，包括司机驾驶舱、司机控制台，视景显示等硬件设备，以及各种仿真软件及仿真线路、列车的基础仿真数据。

2．其他所需材料

《轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统使用手册》；

《轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统司机手册》；

《轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统维护手册》。

10．5 实验方法、步骤说明

10．5．1 测算列车运行能耗的主要方法

高速列车运行能耗测算可以根据《列车牵引计算规程》（简称《牵规》）进行。一般情况下，在提供列车牵引特性曲线与能耗特性曲线的情形下，其运行能耗计算较为简单。但仍存在能耗特性曲线未知或失效的可能性。因此，为了更精确系统地测算列车运行能耗，也有其他测算能耗的方法，从牵引做功与能耗转换的角度以及经验方面进行研究。这里仅介绍基于能耗曲线的测算方法。

高速列车采用电力机车牵引方式，其牵引过程中采用无级变速。电力机车耗电量Q通常按牵引运行耗电量Qy和惰行、空气制动、停站时的自用电量Q0两部分进行计算。计算的能源消耗不包括机车在区间内与牵引、推送列车无关的机车运用如调车、出入段等辅助走行时的能源消耗。

式中Uw——受电弓处网压，单位为V；

Ip——平均有功电流，单位为A，其值由各型电力机车有功电流曲线图或牵引计算数据表查出；按新《牵规》规定，取最高负荷或最高手柄的Ip值的90％；部分负荷或其他手柄位的Ip取值不应大于同一速度上述最高负荷90％水平下的Ip值；

Ip0——自用电有功电流，单位为A，牵引运行4轴和6轴机车取6A，8轴机车取7．5A；

Δt——牵引工况时间，单位为min。

同一种机车在不同速度和运行级位下，单位时间机车的有功电流是不同的，有功电流的不同导致机车耗电量的不同，如图10-1和图10-2所示。

图10-1 CRH3型动车组牵引特性曲线

图10-2 CRH3型动车组有功电流曲线

基于能耗曲线的测算方法计算过程（图10-3）：

（1）根据牵引特性曲线以及列车的速度计算出在该速度下列车的牵引力。

（2）由第1步获得的牵引力，结合列车的有功电流特性曲线（图10-2）和惰行电流特性曲线，计算出列车在平均运营速度下牵引工况的有功电流和惰行工况的惰行电流。

（3）根据第2步求出的有功电流和惰行电流，通过牵引率和列车的受电电压、牵引重量及速度等数据计算得出列车的运行能耗。

与列车牵引力的计算相似，不同速度下的牵引电流同样可以根据有功电流特性曲线进行插值计算获得。基于能耗曲线的测算方法由于在测算过程中需要进行大量的数据计算，因此，实际运用时大都采用软件仿真的方法。本实验中，借助列车运行特性分析软件可以完成能耗曲线的绘制。

图10-3 基于能耗曲线的测算过程

10．5．2 列车运行能耗曲线

列车运行能耗曲线，是在列车牵引运行速度 距离曲线的基础上，加入了表示列车牵引能耗的曲线（图10-4）。能耗曲线按照不同的列车运行区间进行分段计算，计算过程即为上文介绍的基于能耗曲线的测算方法，依据牵引特性曲线对应的牵引工况、牵引力、有功电流和惰行电流以及其他参数，在图中绘制出能耗曲线。

图10-4 列车运行能耗曲线

列车运行能耗曲线与列车运行速度距离特性曲线的变化规律存在一定的关系。请基于列车运行能耗曲线作定性分析，探究能耗曲线与牵引工况、区间长度、列车运行速度的关系。

10．5．3 列车节能运行与再生能量利用

随着制动技术的进步，目前新建的轨道交通普遍采用再生制动。再生制动时，牵引电动机转变为发电机工况，将列车运行的动能转换为电能，发电机产生的制动力使列车减速，此时列车向接触网反馈电能，此部分能量即为再生制动能。如图10-5所示，列车i＋1在制动时会产生能量Ereg，如果相邻列车i处于加速状态，其可以利用Ereg，从而减少从变电站获得的能量，达到节能的目的。如果列车i＋1制动时，其所处供电区段内没有其他列车加速，其产生的再生能量除用于本列车空调、照明等设备外，通常被吸收电阻转化为热能消耗掉。

图10-5 再生能量利用示意图

10．5．4 牵引驾驶策略

当列车在站间运行时，存在着多条速度 距离曲线供选择。不同速度 距离曲线对应不同的站间运行时间和不同的能耗。列车按照图10-6所示4条曲线可以走完相同的距离，但运行时间和能耗并不相同。此外，即便站间运行时间相同时，也存在多条速度 距离曲线可供列车选择。

图10-6 列车站间运行速度距离曲线

最快速策略是指列车以最少的运行时间完成运行任务，这就要求列车尽可能地发挥它的牵引性能和制动性能。在这种策略下，列车运行的策略是尽可能地高速度运行来节约时间。因此，列车在牵引时，尽可能采用最大的牵引力，制动时采用最大制动力，达到限速时，以匀速运行，如图10-7所示。

图10-7 牵引最快速策略

图10-8 牵引经济策略

经济策略是指采用节能的方法运行。从理论上讲，列车的惰行时间越长，列车运行所需要的能量越低。但是，在实际过程中，考虑到运营对运行速度和时间的考虑，列车不可能长时间地惰行。所以比较便于实际操作可行的节能方案是列车加速运行到最大速度时，开始惰行到某个较小的速度，然后列车再开始加速运行，这样循环下去直至进站停车，如图10-8所示。

10．5．5 列车运行能耗与牵引驾驶策略的关系

在同一个区间内使用不同的列车牵引运行策略，采用模拟驾驶方法进行实验，对运行能耗进行仿真计算，对结果进行比较和分析。具体步骤如下：

（1）利用动车组模拟驾驶平台进行实验，进入CRH380A驾驶仿真实验系统，单击开机（Turn On Computers）按钮，点击仿真运行，选择上海虹桥—杭州东的实验课程，启动仿真运行（图10-9）。

图10-9 选择课程及开始仿真界面

（2）在上海虹桥—松江南区间进行实验，研究牵引驾驶策略与能耗的关系，本实验给定两种牵引驾驶策略：最快速策略和最经济策略。

（3）实验操作方法：驾驶列车从上海虹桥站启动，以一定运行策略，行车至松江南站停车结束，列车运行区间不设故障及紧急情况事件。

（4）每完成一个策略的实验，查看仿真报告中的运行曲线及能耗值的大小（图10-10）。

（5）结合不同运行策略对应的区间运行曲线和能耗大小，对上述规律和特征进行定性分析，撰写实验报告。

图10-10 运行仿真报告示意图

10．6 实验报告要求

1．简述基于能耗曲线的列车运行能耗测算方法的基本思路和原理。

2．定性分析列车运行能耗曲线与列车运行速度—距离特性曲线的对应关系。

3．简述列车节能运行与再生能量利用的基本概念。

4．详细记录列车运行能耗与牵引驾驶策略实验中的实验步骤和各项实验数据（包括图表），分析实验结果并总结。

5．基本概念的简述清晰准确。

6．设计的实验步骤逻辑清晰，思维严谨，有目的性。

7．实验过程记录全面、详实、符合要求。

10．7 思考题

1．如何看待区间列车牵引运行策略中，区间运行时间与能耗的矛盾？

2．思考最经济运行牵引策略下如何提高再生能量利用？