1. 引言
截止2015年，我国“四横四纵”高速铁路主骨架已经形成，累计上线运营列车1500余列，通车里程1.9万公里，以高速铁路为骨架的快速铁路网的总规模达4万公里以上。高速铁路的发展要与社会经济发展相适应，高速列车作为高速铁路运输旅客和货物的重要装备之一，高速列车运营经济性是高速铁路运营经济性和可持续发展的重要参考指标 [1] [2] [3] [4] [5] 。而高速列车运行能耗是高速列车运营经济性的重要影响因素，因此，本文建立了高速列车运行能耗模型，分析了各能耗的占比及其影响因素，在此基础上给出了高速列车节能降耗的提升方向，对高速列车节能减排有着重要意义。
2. 高速列车运行能耗模型
高速列车全寿命周期内的能耗并贯穿于设计、制造、运营、维护和报废等各个阶段，运营过程能耗在全寿命周期内所占比重最大 [1] [2] [3] ，是高速列车节能降耗的重点阶段，见图1。
2.1. 高速列车运营能耗构成
通过对高速列车运营部门和主机厂的相关数据的统计分析，可知：高速列车运营过程中的能耗主要包括高速列车运行关的能耗、车站及基础设施能耗和其他形式能耗等三部分，分别占高速列车运营能耗的82%、17%和1%，见图2。
Figure 1. Distribution of life cycle cost of high-speed trains
图1. 列车全寿命周期能耗分布
2.2. 高速列车运行能耗模型
高速列车的电能流路径是从牵引供电接触网–高速列车–轮轨–牵引供电接触网的能量流路径，见图3。从图3可知，电能从变电站经接触网到列车，最终通过轮轨界面的回流，在整个运行过程中，电能消耗可以分为以下四个方面 [6] ：
►列车克服阻力运动的能量；
►由于牵引系统效率低而损失的能量；
►用于提供乘客服务功能的能量；
►牵引供电系统损失的能量。
故此，可建立高速列车运行能耗模型，见图4。图4中模型是带再生制动列车和不带再生制动列车的能量流模型，其中再生制动是指将非再生制动中由摩擦制动器造成的热能损失反馈到电网中。
Figure 2. Energy consumption proportional of high-speed railway
图2. 高速列车运营能耗比例
(a) 
(b)
Figure 4. Running energy consumption module of high speed train (a) Without regenerative brake; (b) With regenerative brake
图4. 高速列车运行能耗模型 (a) 不带再生制动；(b) 带再生制动
3. 高速列车运行能耗分析
3.1. 高速列车运行阻力能耗分析
根据ATOC (2009)和IEP (DfT, 2009a)新的RSSB(2007)牵引能耗报告可知(见图5)，高速列车运行能源需求主要是用来克服列车运行阻力、惯性和坡度阻力牵引列车运行的牵引能耗和为旅客提供服务功能的辅助能耗。从图5中可知，牵引能源可分为用来克服惯性(如：加速)和坡度阻力而消耗的能量、克服运行阻力(摩擦力和阻力)需要的能量两部分，牵引能耗约占列车总消耗能源的四分之三 [7] 。
克服惯性和坡度阻力所需的能量与列车质量成正比，分别转换为动能和重力势能。采用再生制动就是尽可能多的恢复这些能量，但再生制动效率低和运行工况的限制(例如，网压过高时不允许再生制动)不可避免的会造成一部分能量损失。列车的加速度分布(如停止/启动的循环次数)会影响克服惯性所需的能量，路网地形也会影响克服坡度阻力所需的能量。
克服列车运行阻力的能源主要用于摩擦生热，其阻力可由戴维斯公式得到。现代高速列车运行过程中，空气阻力占主导地位，对于给定的列车，运动阻力与列车速度的平方成正比。
3.2. 由于牵引系统效率低而损失的能量
牵引系统的电气元件和机械元件效率低会导致部分能量以热量形式耗散。现代动车组车从接触网获得电能，经变压器、变流器后变成三相交流电供给电机，再经传动装置将电能转化为机械能传递至车轮，驱动列车运行。德国最先进的16.7 Hz、15 kV的交流系统在满负荷运行时可达到约85%的功率效率，50 Hz的AC或DC系统则能达到更高的效虑 [8] 。
测得京津城际动车组运行时总能耗为
，牵引能耗
，可算出牵引系统能耗大约占列车运行总能耗88.65%，牵引系统各部分能耗占比见图6。
3.3. 用于提供乘客服务功能的能量
乘客服务功能包括照明、取暖以及旅客车厢的通风。虽然这些功能主要在列车运行过程中提供，但在列车停止后也需要进行清洁和维护工作，确保列车在下次启动时仍处于舒适的环境。乘客服务功能的能源需求很大程度上取决于周围环境氛围。UIC EVENT在2003年的研究中表明，乘客服务功能的平均能耗约占列车总能耗的20% [9] [10] ，见图7。
Figure 5. The running energy consumption of high-speed train
图5. 高速列车运行能耗
Figure 6. Energy consumption ratio of traction system
图6. 牵引系统各部分能耗比
Figure 7. UK train passenger service function of energy requirements in Winter (0˚C)
图7. 冬天(0℃)英国列车乘客服务功能的能源要求
Table 1. Measures to reduce train energy [11]
表1. 降低列车能耗措施 [11]
3.4. 牵引供电系统损失的能量
牵引供电用电是单相负荷，会在电力系统中产生较大的负序电流和负序电压，且因列车功率因数较低，高次谐波含量较大等会给牵引供电系统造成能量损耗。如谐波电流流入三相电子绕组产生旋转磁场，引起振动扭矩，并且增加定子绕组、定子铁芯、转子激磁绕组和阻尼绕组的附加电能损失和发热。谐波电流流入变压器产生的铁芯磁滞现象会引起噪音增大，此外，高次谐波的电流、电压还会引起附加的铁损和铜损，使变压器总电能损失增大。牵引供电系统损失的能量列车总消耗能源的3%。
4. 高速列车节能降耗提升方向
列车节能降耗的措施可分为两大类：第一类是技术措施，通过硬件改进减少在给定操作条件下的能耗；第二类是操作方式改进，即通过修改列车操作方式减少硬件能耗，见表1。表1总结了具体措施对能耗的影响及其对列车总的节能降耗的影响程度。
5. 结论
通过以上研究并分析，可以得出以下结论：
1) 通过高速列车全寿命周期能耗构成分析，得到了高速列车运营能耗构成及各部分权重，与高速列车运行相关的能耗占比高达82%。在此基础上，进一步分析高速列车运行相关能耗并获得其能耗模型。
2) 根据高速列车运行能耗模型，指出了各部分能耗所占比重，分析了各能耗组成成分耗能的主要因素，为高速列车节能降耗的提出提供了技术提升方向；
3) 在前述研究基础上，给出了高速列车节能降耗的提升方向，并给出了具体措施对对能耗的影响及其适用性。