接触网间歇式供电电容储能车辆全寿命周期成本分析

引言

按照《城市公共交通分类标准》(CJJ/T114一2007),城市公共交通可以按照大类、中类、小类三个层次进行划分。按照大类可以分为以下四种:城市道路公共交通(GJ1)、城市轨道交通(GJ2)、城市水上公共交通(GJ3)和城市其他公共交通[1]。城市轨道交通很早就作为公共交通在城市中出现并进行使用,占据着越来越重要的地位,如今已经成为城市公共交通的主干线。城市轨道交通具有污染小、能耗小、运量大、速度快、效率高、集约化等优点。所有的轨道交通或者说公共交通的分类都是依据车辆自身和行驶线路的条件以及客运能力进行的,故城市轨道交通(GJ2)分为地铁系统、单轨系统等七大中类,每个中类下又分许多小类,其中地铁、单轨、轻轨比较常见。全寿命周期成本理论拥有系统的先进管理理论和控制方法,在保证系统正常可靠运转的同时,又使得全寿命周期成本最低,在城市轨道交通工程项目的开展过程中,必须从全寿命周期成本最低的视角出发,以这种设计理念作为指导思想。

本文以接触网间歇式供电电容储能车辆即有轨电车为模型,通过提出超级电容容量的优化算法,分析各个阶段的全寿命成本对于城市轨道交通的影响。城市轨道交通取得巨大发展能有效缓解城市交通拥堵的现状,同时也有利于解决能源紧张、环境污染等问题:此外,城市轨道交通建设有助于优化城市布局,成为城市良性发展的助推器。因此,对城市轨道交通的成本问题进行相关研究有着重大的现实意义。

1超级电容储能车辆全寿命周期阶段划分和成本构成

本文围绕全寿命周期成本理论,根据超级电容储能车辆寿命周期的不同阶段,将超级电容储能车辆全寿命周期成本划分为四个组成部分:购置成本、运行成本、维修养护成本和回收处置成本。超级电容储能车辆全寿命周期成本如图1所示。

由此可以顺利推导出超级电容储能车辆全寿命周期成本的数学模型为:

式中,Ctota1为车辆全寿命周期成本:Ck为车辆购置成本:Co为车辆运行成本:Cm为车辆维修成本与养护成本的和:Cd为车辆回收处置成本。

1.1采购阶段成本

超级电容储能车辆的采购阶段成本是指在城市轨道交通建设项目采购过程中的投标报价价格。在大多数情况下,超级电容储能车辆的购置成本Ck就是购买车辆时的价格P,则Ck满足公式:

1.2运行阶段成本

超级电容储能车辆的运行阶段成本是指超级电容储能车辆在运行过程中消耗的电能成本,其中车辆的能耗主要分为牵引能耗和辅助变流器能耗,辅助变流器能耗包括空调通风系统能耗、照明系统能耗等,有公式如下:

式中,Q为超级电容储能车辆牵引运行过程中的耗电量(kwh):U为供电电压,一般超级电容储能车辆为750V或1500V:Ip为时间间隔内的平均有功电流:Ipo为自用有功电流,有轨电车一般取6~10A:1为相应工况时间(h)。

通过调查,大多数的城市轨道交通车辆的牵引能耗占运营能耗的90%,所以城市轨道交通车辆的运营能耗成本为:

式中,Pe为电价。

1.3维修养护阶段成本

超级电容储能车辆的维修养护阶段成本可分为两部分,一部分是车辆已经发生故障时的维修成本Ccm,另一部分则是预防车辆发生故障的维修成本Cpm,即:

对于超级电容储能车辆,其各部件发生故障的概率服从威布尔(weibu11)分布函数,相关参数如表1所示。

由表1可知,对于超级电容储能车辆的第i(1≤i≤Ⅳ)个部件,发生故障的平均间隔时间为

发生故障的次数期望值为

所以第i(1≤i≤Ⅳ)个部件发生故障的维修成本为C+m=E(Ⅳ(1))×C+i,C+i为第i(1≤i≤Ⅳ)个部件发生故障的平均维修成本。所以,车辆发生故障时的维修成本为:

式中,1为城市轨道交通车辆全寿命周期内运营的总里程(km)。

为了简化计算,定期对超级电容储能车辆进行检修,则:

式中,7i为预防城市轨道交通车辆发生故障的维修时间间隔:C6i为第i(1≤i≤m)个预防城市轨道交通车辆发生故障的平均维修成本。

综上,超级电容储能车辆的维修成本为:

1.4拆除回收阶段成本

超级电容储能车辆的残值是指超级电容储能车辆部分设备未到寿命周期末,还有待继续使用的价值,表现为超级电容储能车辆的残余价值。实际情况中,残余价值经统计约占购置成本的85。因此,可将超级电容储能车辆的回收处置成本分为拆卸成本C%6减去车辆残值,即:

1.5超级电容储能车辆全寿命周期成本模型

综合以上,超级电容储能车辆的全寿命周期成本Ctota1由式(1)可以得出:

从式(10)可以看出,可从超级电容储能车辆的采购阶段、运行阶段、维修阶段以及回收阶段去考虑降低超级电容储能车辆的全寿命周期成本,具体可以考虑以下几个方面:

(1)对于有轨电车,可考虑以降低超级电容容量的方式去降低购置成本。

(2)可以从城市轨道交通的车辆运营组织、列车牵引方式、新的制动方式的采用等方面去考虑降低列车牵引能耗。

(3)通过改变空调通风系统的线路敷设方式、运行模式去降低空调通风系统能耗,采用新的照明系统和新技术、新设备降低照明能耗。

(4)做好预防故障的维护工作,尽量降低故障率。

2超级电容储能车辆全寿命周期成本模型的应用

上文中已经建立了超级电容储能车辆全寿命周期成本模型,下面针对某些特定的有轨电车某型号车辆,对有轨电车全寿命周期内各阶段费用数据进行收集,其中包括有轨电车基本参数、研发及生产费用、使用费用、维修周期及费用、故障费用等。估算时,考虑到不同有轨电车的差异对收集和计算的数值做适当修正,最后进行全寿命周期成本分析。

2.1有轨电车某型号车辆概述

对于有轨电车基本参数的数据收集,主要针对以下三个方面的信息:有轨电车载客负荷、有轨电车运营参数、有轨电车车辆设备。

2.1.1有轨电车载客负荷

对于该型号有轨电车载客量,一般可以分为四种情况:无乘客、满座载客数、额定载客数、超载载客数。每种情况下的负载以及电车总重量如表2所示。

2.1.2有轨电车运营参数

该型号有轨电车运营参数的相关指标如表3所示。

2.1.3有轨电车车辆设备

由于设备对车辆全寿命周期成本也有影响,对于该型号有轨电车车辆的主要设备,收集了超级电容、牵引电机、空调、车辆照明这几项设备的相关参数,如表4所示。

2.2国内某型号有轨电车的全寿命周期成本

(1)通过座谈、现场观察、与维修人员交流等形式了解到,从应用角度,有轨电车的购置成本可以分为两部分:研发费用和生产费用。综合分析,国内某型号有轨电车的采购费约为2000万元,即Ck=2000万元。

(2)查看某地有轨电车运行时刻表,并在不同载客量下对其能耗进行测试,根据电能表记录可推算出该型号有轨电车的运行能耗为每运营100km平均耗电268kwh。而该型号有轨电车全寿命周期(30年)的运营总里程约为3×106km:该地常规电价约为0.53元/kwh,可得城市轨道交通某型号有轨电车运营能耗成本为Co=0.53×268×3×104=426.12万元。

(3)对于有轨电车的维护成本,主要考虑预防车辆发生故障的维修成本,其关系如表5所示。

对于有轨电车的维护费用,可以参照运营公司维修定额来进行计算。再参照表5,针对不同的修程,计算得到该型号有轨电车的维修价格分别为:日检约10元,双周检约266.67元,三月检约2833.33元,定修约14166.67元,架修约3.9万元,大修约55万元[5]。故该型号有轨电车维修成本为:

(4)针对其残值,国内针对该型号有轨电车的计算方式和数据均没有明确记载,因此暂且在计算的时候忽略不计,即Cd=-P×5%=100万元。

将上述计算结果整理并进行计算,得到表6所示的全寿命周期成本分析表。根据计算得到该型号有轨电车的单位全寿命周期成本约为8.49元/km,其中,购置成本所占比重最大,为78.49%。因此在进行车辆选型的时候,对其购置成本可以做出相应优化。

2.3储能系统成本优化策略

本文拟采用遗传算法优化储能系统成本:优化目标为:通过优化储能系统使成本最低:选择算子:赌轮法:交叉算子:单点交叉:变异概率:0.001~0.100:适应度函数为:

式中,nsection为区间的个数:Pi为区间i的车辆续航情况,如果车辆可以在满足储能冗余的情况下行驶过此区间,则Pi为1,否则为0:Cmin为无网区最低能耗区间的能耗需求,车载储能系统的容量配置必定大于等于此数值,Cmax为全线的行驶能耗,考虑到接触网和充电站的存在,车载储能系统的容量配置必定小于等于此数值。

当函数f(王)取得最大值时,车辆能够行驶过所有区间且储能装置的容量最小,即取得车载储能装置的最优值。遗传算法的具体流程如图2所示。

通过采用遗传算法对超级电容进行优化,得到了新的超级电容电压数据,如表7所示。

通过优化超级电容容量得到了该型号有轨电车新的全寿命周期成本分析表,原有超级电容容值为583F,能量为38kwh,优化后超级电容容值为353F,能量为23kwh,结合超级电容的成组方式,能量为25.3kwh,减少了12.7kwh,考虑到超级电容成本为7万元/kwh,减少车辆购置成本88.9万元,优化后购置成本为1911.1万元,如表8所示。

由表8可知,该型号有轨电车的单位全寿命周期成本在优化后降低为8.21元/km,与优化前相比降低了3.30%。

3结语

本文对超级电容储能车辆全寿命周期的阶段进行划分,将超级电容储能车辆全寿命周期分为采购阶段、运行阶段、维修阶段和拆除回收阶段:并分析了全寿命周期成本的构成,在此基础上构建了超级电容储能车辆全寿命周期成本模型。之后将超级电容储能车辆全寿命周期成本模型应用于某型有轨电车,提出了优化储能系统的算法,从而有效减少了购置成本。所以进行城市轨道交通有轨电车车辆选型时可以选择优化购置成本的策略,按照全寿命周期成本最小的原则,选择最佳投资方案。