储能式供电轨道交通运用列车配比探讨

文：黄裕锋，林鸿全，康华玲，林跃明丨比亚迪建设工程有限公司深圳分公司

近年来，新能源技术飞速发展，蓄电池性能水平不断提高，采用储能式供电方式的轨道交通系统成为研究热点，在低运能轨道交通制式中已投入使用。传统轨道交通运用列车数计算方式对储能式供电的轨道交通制式并不完全适用，本文通过研究分析电池续航能力与运用车轮换的关系，提出了一种适用于储能式供电低运能轨道交通制式的运用列车计算模型，并通过运行图仿真系统验证了该模型的有效性。

传统轨道交通主要的供电方式可分为车载储能供电、第三轨供电、接触网供电。接触网供电技术运用时间长，技术相对成熟，但需沿线路铺设接触网，影响城市景观，建设和维护成本高。第三轨供电一般设置于铁轨之间或铁轨的外侧，其维护成本较接触网供电低，但安全性较差，噪声大。车载储能供电方式相较于其他供电方式有以下几个优点：电网友好度高，可充分利用夜间充电，减少白天电网压力；充电系统弹性足，极端天气、自然灾害等因素影响较小；可因地制宜通过搭建光伏、风能绿色发电等方式进行供电，减少碳排放；正线乘客疏散或维护作业时，安全性高。

但采用车载储能供电，列车受限于电池续航里程问题，无法实现全天在线运营，需运营期间下线充电。电池续航能力、充电时长和用车数量之间相互影响，例如电池续航越久，电池充电时间越长，用车数量可能需要增加。因此需研究储能式供电轨道交通制式续航能力与用车数量关系，通过合理配置资源在满足运营需求下优化运用车配置。

一、传统轨道交通运用列车计算公式

传统轨道交通运用列车上线后可实现不间断运行，用车数量只需满足高峰时段需求。计算公式为（1）：

式中：M运用为运用列车数（辆）；L为线路里程（公里）；V旅行为线路平均旅行速度（公里/小时）；T折返为总折返时间（分钟，包括始发站和终点站折返时间）；T间隔为高峰时段列车发车间隔（分钟），n为列车编组辆数（辆）。

通过分析公式可知，传统列车运用车数计算方式计算结果与线路长度、旅行速度、高峰时段发车间隔及折返时间有关，未考虑列车充电时间和续航能力的影响，不完全适用蓄电池供电方式的列车运用车数计算，需重新分析计算。

二、影响因素分析

储能式供电轨道交通运用列车数计算影响因素分析：

一是电池续航能力及充电时间。根据国内已运营线路经验，低运量列车满电情况下续航里程约为150公里，续航里程主要受温度影响，列车在运营期间在电量不足情况下需到充电列位充电后方可重新投入服务。列车充满电所需时间为1小时，还需增加列车回库时间及充电作业时间，大约1小时30分钟。

二是线路长度及线型布置。在线路过长情况下，为了避免列车剩余电量不足回库，需在电量存有一定余量时回库充电，实际可用续航里程减少。如车辆段设置于线路中间，列车需空跑一定里程到达始发站，同样也会减少实际可用续航里程。

三是充电列位个数及布置。轨道交通运营存在早晚高峰，需保证充电列位可以满足所有回库列车充电，如充电列位过少，列车排队充电，部分列车无法及时充电导致列车运用车数增加。在线路较长区段，在正线设置充电列位，可减少部分列车回库充电的空驶里程及运行时间，减少回库充电时间。

在以上影响因素中，线路长度及线型布置可通过在正线多设置充电列位解决，而列车电池续航能力及充电时间是影响储能式供电轨道交通列车运用车配属的最大影响因素，虽然电池性能水平不断提高，电池的容量相应提高，但也未能满足列车运营期间无需下线充电而统一在夜间进行的需求，故本文重点对影响因素中的线路长度及线型布置进行分析。

三、储能式供电轨道交通运用列车计算

（一）基本参数分析

储能式供电轨道交通列车满电续航里程为150公里，列车电量由10%充至100%约1小时10分钟，实际情况下需考虑列车回库时间及列车充电准备工作时间，列车回库距离约1公里左右，平均回库速度约为10公里/小时，耗时约6分钟。充电准备工作时间约1～2分钟。为了保证冗余，在计算T充电时，充电时间（含列车出入库及充电准备时间）设置为1小时30分钟。

通过编制运行图经验发现，运行图所需列车数与列车电池续航时间和充电时间比例有关系，此处需将列车满电续航里程转换为续航时间，通过调研发现储能式供电轨道交通旅速为25公里/小时左右，续航时间通过转换约为6小时。

传统轨道交通计算运用列车数基本采用工作日高峰最大断面客流数据作为初始数据进行运能匹配。

（二）考虑列车电池续航的运用列车数计算模型

在传统的轨道交通中，工作日的运营高峰期可分为早上2小时和晚上2小时，共4小时，即T早高峰=T晚高峰=2小时。编制运行图发现，列车续航里程最大制约点在列车晚高峰，一方面列车需满足晚高峰前线上的平峰客流需求，列车电量能满足晚高峰后下线，另一方面晚高峰列车上线后，电量可支撑到晚高峰下线列车充满电后进行轮换。而在平峰期间，列车可通过提前下线，保持列车电量始终处于充裕状态，即平峰期间部分列车运行1.5小时至2.5小时后，即可回库充电，保证列车始终处于电量充足情况，确保高峰列车电量满足运营需要。

在高峰列车下线时，应尽量保证电量少的列车优先下线充电，电量充裕列车尽量维持运营。也就是说，在高峰列车上线前的平峰列车在高峰结束优先下线回车辆段充电，高峰上线列车需等待回段充满电的列车上线后再进行轮换。

式中：T周期为列车运行线路一圈所用时间；T续航为列车续航时间；S续航为列车续航里程。

列车早晚高峰列车上下线时间：

式中：T高峰上线为列车从第一列早（晚）高峰列车到最后一列早（晚）高峰列车上线完毕所耗费的时间。

若列车最小续航满足：T续航、T充电需满足以下条件，列车无需增配运用车。

如，T续航≥T高峰+T高峰上线+T充电，则列车运用车计算公式为：

如不满足此条件，列车需增配运用车数为：

此处假设一条线路长度为15公里，旅行速度为25公里/小时，运行周期为75分钟，首站设置车辆段，列车充电时间1小时30分钟，高峰发车间隔按5分钟、平峰发车间隔按10分钟，列车编组辆数为2辆，进行计算。

经计算T=5*30/25=6小时＞2+1.5+1.25小时

列车计算公式采用进行计算列车所需运用车为30辆（15列车）。通过现场铺画运行图，计算结果满足要求，验证了此模型的可行性。