接觸網(wǎng)間歇式供電電容儲能車輛全壽命周期成本分析

引言

按照《城市公共交通分類標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T114一2007),城市公共交通可以按照大類、中類、小類三個層次進(jìn)行劃分。按照大類可以分為以下四種:城市道路公共交通(GJ1)、城市軌道交通(GJ2)、城市水上公共交通(GJ3)和城市其他公共交通[1]。城市軌道交通很早就作為公共交通在城市中出現(xiàn)并進(jìn)行使用,占據(jù)著越來越重要的地位,如今已經(jīng)成為城市公共交通的主干線。城市軌道交通具有污染小、能耗小、運量大、速度快、效率高、集約化等優(yōu)點。所有的軌道交通或者說公共交通的分類都是依據(jù)車輛自身和行駛線路的條件以及客運能力進(jìn)行的,故城市軌道交通(GJ2)分為地鐵系統(tǒng)、單軌系統(tǒng)等七大中類,每個中類下又分許多小類,其中地鐵、單軌、輕軌比較常見。全壽命周期成本理論擁有系統(tǒng)的先進(jìn)管理理論和控制方法,在保證系統(tǒng)正常可靠運轉(zhuǎn)的同時,又使得全壽命周期成本最低,在城市軌道交通工程項目的開展過程中,必須從全壽命周期成本最低的視角出發(fā),以這種設(shè)計理念作為指導(dǎo)思想。

本文以接觸網(wǎng)間歇式供電電容儲能車輛即有軌電車為模型,通過提出超級電容容量的優(yōu)化算法,分析各個階段的全壽命成本對于城市軌道交通的影響。城市軌道交通取得巨大發(fā)展能有效緩解城市交通擁堵的現(xiàn)狀,同時也有利于解決能源緊張、環(huán)境污染等問題:此外,城市軌道交通建設(shè)有助于優(yōu)化城市布局,成為城市良性發(fā)展的助推器。因此,對城市軌道交通的成本問題進(jìn)行相關(guān)研究有著重大的現(xiàn)實意義。

1超級電容儲能車輛全壽命周期階段劃分和成本構(gòu)成

本文圍繞全壽命周期成本理論,根據(jù)超級電容儲能車輛壽命周期的不同階段,將超級電容儲能車輛全壽命周期成本劃分為四個組成部分:購置成本、運行成本、維修養(yǎng)護(hù)成本和回收處置成本。超級電容儲能車輛全壽命周期成本如圖1所示。

由此可以順利推導(dǎo)出超級電容儲能車輛全壽命周期成本的數(shù)學(xué)模型為:

式中,Ctota1為車輛全壽命周期成本:Ck為車輛購置成本:Co為車輛運行成本:Cm為車輛維修成本與養(yǎng)護(hù)成本的和:Cd為車輛回收處置成本。

1.1采購階段成本

超級電容儲能車輛的采購階段成本是指在城市軌道交通建設(shè)項目采購過程中的投標(biāo)報價價格。在大多數(shù)情況下,超級電容儲能車輛的購置成本Ck就是購買車輛時的價格P,則Ck滿足公式:

1.2運行階段成本

超級電容儲能車輛的運行階段成本是指超級電容儲能車輛在運行過程中消耗的電能成本,其中車輛的能耗主要分為牽引能耗和輔助變流器能耗,輔助變流器能耗包括空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能耗、照明系統(tǒng)能耗等,有公式如下:

式中,Q為超級電容儲能車輛牽引運行過程中的耗電量(kwh):U為供電電壓,一般超級電容儲能車輛為750V或1500V:Ip為時間間隔內(nèi)的平均有功電流:Ipo為自用有功電流,有軌電車一般取6~10A:1為相應(yīng)工況時間(h)。

通過調(diào)查,大多數(shù)的城市軌道交通車輛的牽引能耗占運營能耗的90%,所以城市軌道交通車輛的運營能耗成本為:

式中,Pe為電價。

1.3維修養(yǎng)護(hù)階段成本

超級電容儲能車輛的維修養(yǎng)護(hù)階段成本可分為兩部分,一部分是車輛已經(jīng)發(fā)生故障時的維修成本Ccm,另一部分則是預(yù)防車輛發(fā)生故障的維修成本Cpm,即:

對于超級電容儲能車輛,其各部件發(fā)生故障的概率服從威布爾(weibu11)分布函數(shù),相關(guān)參數(shù)如表1所示。

由表1可知,對于超級電容儲能車輛的第i(1≤i≤Ⅳ)個部件,發(fā)生故障的平均間隔時間為

發(fā)生故障的次數(shù)期望值為

所以第i(1≤i≤Ⅳ)個部件發(fā)生故障的維修成本為C+m=E(Ⅳ(1))×C+i,C+i為第i(1≤i≤Ⅳ)個部件發(fā)生故障的平均維修成本。所以,車輛發(fā)生故障時的維修成本為:

式中,1為城市軌道交通車輛全壽命周期內(nèi)運營的總里程(km)。

為了簡化計算,定期對超級電容儲能車輛進(jìn)行檢修,則:

式中,7i為預(yù)防城市軌道交通車輛發(fā)生故障的維修時間間隔:C6i為第i(1≤i≤m)個預(yù)防城市軌道交通車輛發(fā)生故障的平均維修成本。

綜上,超級電容儲能車輛的維修成本為:

1.4拆除回收階段成本

超級電容儲能車輛的殘值是指超級電容儲能車輛部分設(shè)備未到壽命周期末,還有待繼續(xù)使用的價值,表現(xiàn)為超級電容儲能車輛的殘余價值。實際情況中,殘余價值經(jīng)統(tǒng)計約占購置成本的85。因此,可將超級電容儲能車輛的回收處置成本分為拆卸成本C%6減去車輛殘值,即:

1.5超級電容儲能車輛全壽命周期成本模型

綜合以上,超級電容儲能車輛的全壽命周期成本Ctota1由式(1)可以得出:

從式(10)可以看出,可從超級電容儲能車輛的采購階段、運行階段、維修階段以及回收階段去考慮降低超級電容儲能車輛的全壽命周期成本,具體可以考慮以下幾個方面:

(1)對于有軌電車,可考慮以降低超級電容容量的方式去降低購置成本。

(2)可以從城市軌道交通的車輛運營組織、列車牽引方式、新的制動方式的采用等方面去考慮降低列車牽引能耗。

(3)通過改變空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的線路敷設(shè)方式、運行模式去降低空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能耗,采用新的照明系統(tǒng)和新技術(shù)、新設(shè)備降低照明能耗。

(4)做好預(yù)防故障的維護(hù)工作,盡量降低故障率。

2超級電容儲能車輛全壽命周期成本模型的應(yīng)用

上文中已經(jīng)建立了超級電容儲能車輛全壽命周期成本模型,下面針對某些特定的有軌電車某型號車輛,對有軌電車全壽命周期內(nèi)各階段費用數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,其中包括有軌電車基本參數(shù)、研發(fā)及生產(chǎn)費用、使用費用、維修周期及費用、故障費用等。估算時,考慮到不同有軌電車的差異對收集和計算的數(shù)值做適當(dāng)修正,最后進(jìn)行全壽命周期成本分析。

2.1有軌電車某型號車輛概述

對于有軌電車基本參數(shù)的數(shù)據(jù)收集,主要針對以下三個方面的信息:有軌電車載客負(fù)荷、有軌電車運營參數(shù)、有軌電車車輛設(shè)備。

2.1.1有軌電車載客負(fù)荷

對于該型號有軌電車載客量,一般可以分為四種情況:無乘客、滿座載客數(shù)、額定載客數(shù)、超載載客數(shù)。每種情況下的負(fù)載以及電車總重量如表2所示。

2.1.2有軌電車運營參數(shù)

該型號有軌電車運營參數(shù)的相關(guān)指標(biāo)如表3所示。

2.1.3有軌電車車輛設(shè)備

由于設(shè)備對車輛全壽命周期成本也有影響,對于該型號有軌電車車輛的主要設(shè)備,收集了超級電容、牽引電機(jī)、空調(diào)、車輛照明這幾項設(shè)備的相關(guān)參數(shù),如表4所示。

2.2國內(nèi)某型號有軌電車的全壽命周期成本

(1)通過座談、現(xiàn)場觀察、與維修人員交流等形式了解到,從應(yīng)用角度,有軌電車的購置成本可以分為兩部分:研發(fā)費用和生產(chǎn)費用。綜合分析,國內(nèi)某型號有軌電車的采購費約為2000萬元,即Ck=2000萬元。

(2)查看某地有軌電車運行時刻表,并在不同載客量下對其能耗進(jìn)行測試,根據(jù)電能表記錄可推算出該型號有軌電車的運行能耗為每運營100km平均耗電268kwh。而該型號有軌電車全壽命周期(30年)的運營總里程約為3×106km:該地常規(guī)電價約為0.53元/kwh,可得城市軌道交通某型號有軌電車運營能耗成本為Co=0.53×268×3×104=426.12萬元。

(3)對于有軌電車的維護(hù)成本,主要考慮預(yù)防車輛發(fā)生故障的維修成本,其關(guān)系如表5所示。

對于有軌電車的維護(hù)費用,可以參照運營公司維修定額來進(jìn)行計算。再參照表5,針對不同的修程,計算得到該型號有軌電車的維修價格分別為:日檢約10元,雙周檢約266.67元,三月檢約2833.33元,定修約14166.67元,架修約3.9萬元,大修約55萬元[5]。故該型號有軌電車維修成本為:

(4)針對其殘值,國內(nèi)針對該型號有軌電車的計算方式和數(shù)據(jù)均沒有明確記載,因此暫且在計算的時候忽略不計,即Cd=-P×5%=100萬元。

將上述計算結(jié)果整理并進(jìn)行計算,得到表6所示的全壽命周期成本分析表。根據(jù)計算得到該型號有軌電車的單位全壽命周期成本約為8.49元/km,其中,購置成本所占比重最大,為78.49%。因此在進(jìn)行車輛選型的時候,對其購置成本可以做出相應(yīng)優(yōu)化。

2.3儲能系統(tǒng)成本優(yōu)化策略

本文擬采用遺傳算法優(yōu)化儲能系統(tǒng)成本:優(yōu)化目標(biāo)為:通過優(yōu)化儲能系統(tǒng)使成本最低:選擇算子:賭輪法:交叉算子:單點交叉:變異概率:0.001~0.100:適應(yīng)度函數(shù)為:

式中,nsection為區(qū)間的個數(shù):Pi為區(qū)間i的車輛續(xù)航情況,如果車輛可以在滿足儲能冗余的情況下行駛過此區(qū)間,則Pi為1,否則為0:Cmin為無網(wǎng)區(qū)最低能耗區(qū)間的能耗需求,車載儲能系統(tǒng)的容量配置必定大于等于此數(shù)值,Cmax為全線的行駛能耗,考慮到接觸網(wǎng)和充電站的存在,車載儲能系統(tǒng)的容量配置必定小于等于此數(shù)值。

當(dāng)函數(shù)f(王)取得最大值時,車輛能夠行駛過所有區(qū)間且儲能裝置的容量最小,即取得車載儲能裝置的最優(yōu)值。遺傳算法的具體流程如圖2所示。

通過采用遺傳算法對超級電容進(jìn)行優(yōu)化,得到了新的超級電容電壓數(shù)據(jù),如表7所示。

通過優(yōu)化超級電容容量得到了該型號有軌電車新的全壽命周期成本分析表,原有超級電容容值為583F,能量為38kwh,優(yōu)化后超級電容容值為353F,能量為23kwh,結(jié)合超級電容的成組方式,能量為25.3kwh,減少了12.7kwh,考慮到超級電容成本為7萬元/kwh,減少車輛購置成本88.9萬元,優(yōu)化后購置成本為1911.1萬元,如表8所示。

由表8可知,該型號有軌電車的單位全壽命周期成本在優(yōu)化后降低為8.21元/km,與優(yōu)化前相比降低了3.30%。

3結(jié)語

本文對超級電容儲能車輛全壽命周期的階段進(jìn)行劃分,將超級電容儲能車輛全壽命周期分為采購階段、運行階段、維修階段和拆除回收階段:并分析了全壽命周期成本的構(gòu)成,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了超級電容儲能車輛全壽命周期成本模型。之后將超級電容儲能車輛全壽命周期成本模型應(yīng)用于某型有軌電車,提出了優(yōu)化儲能系統(tǒng)的算法,從而有效減少了購置成本。所以進(jìn)行城市軌道交通有軌電車車輛選型時可以選擇優(yōu)化購置成本的策略,按照全壽命周期成本最小的原則,選擇最佳投資方案。