浅谈地铁车辆并网供电及其节能优势

文/ 黄海界, ，李晓龙 尹力明,3 穆广友,

1 同济大学铁道与城市轨道交通研究院 (200092)

2 上海阿尔斯通交通设备有限公司 (200245)

3 上海轨道交通设备发展有限公司 (200233)

一、引言

城市轨道交通能耗由牵引和动力照明两部分组成。地下线和高架线牵引能耗分别占总能耗的50%～60%和60%～70%；地下线和高架线动力照明系统能耗占总能耗的40%～50%和30%～40%，主要为车站通风空调系统、照明系统、自动扶梯等设备系统能耗。

1.节能指导思想

以“打造绿色地铁，提升网络品质”为目标，以“安全运转、高效运营、优质服务”为前提，构建完善的节能工作体系，保障节能实施的系统性、规范性、实效性和长效性，努力实现轨道交通节能的总体指标。

2.城市轨道能耗指标体系

根据城市轨道交通能耗的特点，轨道交通能耗指标体系由“网络级、线路级、站车级”三级构成，如图1所示。

图1 轨道交通能耗指标体系

网络级能耗指标是衡量整个运营网络能耗的指标，由综合能耗、牵引能耗和动力照明能耗三个指标组成，用以对轨道交通网络运营节能效果进行评价，以及有关主管部门对轨道交通管理机构实施节能工作成效的评估。

线路级能耗指标是衡量各运营线路能耗的指标，用以对各轨道交通线路运营节能效果进行评价，以及轨道交通管理机构对运营维护单位实施节能工作成效的评估。

站车级能耗指标是衡量各车站和列车能耗的指标，由动力照明能耗和牵引能耗二个指标组成，用以对轨道交通每座车站和每列车辆节能效果进行评价，以及运营维护单位对车站班组和列车班组实施节能工作成效的评估。

3.列车能耗指标

轨道交通车辆能耗评价指标体系中需考虑的因素，可概括划分如下。

(1)牵引系统

(2)辅助电源系统（主要考虑交流负载）

按照上海6号线增购项目（CRC设计）的车辆功率数据为：交流负载约为233.704kVA（夏天），牵引系统约为1440kW，该项目采用的并网供电；按照上海5号线项目（Alstom设计）的车辆功率数据为：交流负载为290.816kVA，牵引系统约为1240kW，该项目采用的分区供电。

二、供电模式

为了说明并网供电的节能优势，先简单阐述下当前关于列车辅助电源的供电模式，主要分为分区供电、环行网络供电和并网供电等三大类。

并网供电：有一条贯穿全列的中压母线，辅助供电用并网技术，即列车上所有的辅助电源并联在中压母线上同时向全列车的中压负载供电，如图2所示。

图2 并网供电网络示意

环形中压供电网络： 每个辅助电源向两节车供电成为一个中压单元，所有中压单元并联在一个环形的中压母线（在任意编组情况下，该环形网络贯穿全车并首尾相接）上，两个单元间由接触器隔离（该接触器尽量置于辅助电源箱体内）。当任意辅助电源故障，通过控制接触器闭合使邻近的一个辅助电源向该中压单元供电，见图3。

图3 环行网络供电示意

分区供电网络：每个辅助电源向1列车中的部分负载供电，当任意辅助电源故障时，会有部分负载断电情况发生。如图4所示，该列车由两路中压网络组成；其中每个中压网络独立地由一个辅助电源供电；为了提高空气压缩机的冗余能力，则由两路中压网络供电，其他三相负载则由一路中压网络供电。

图4 分区供电网络示意

三、并网供电

1.系统原理

(1)始终连接多台SIV（辅助电源）的3相输出线，进行并列运行。

(2)通过专用通信线，在SIV间进行并列控制需要的数据通信，见图5所示。

图5 SIV通信示意

2.优点

因为始终连接3相输出线，所以即使出现1台SIV停止的情况，正常的SIV也能够立刻给全部的车辆提供电源。

3.控制方式

(1)控制电压恒定的电压控制型的主机与进行SIV负载分配的平均化控制电流控制型的辅机构成。

(2)通过dq坐标变换将主机的输出电流分为有功电流（d轴）与无功电流（q轴），以直流量的形式检测出，使用主机与辅机间的专用线，以10ms的传送周期进行通信，见图6。

图6 SIV并网系统构成

(3)辅机以主机的输出电流（d轴、q轴）作为指令值，进行电流控制。

(4)主机先行启动，辅机检出3相输出线的电压后，取电压的同相后启动。

(5)主机故障时，辅机由电流控制型切换为电压控制型，控制输出电压保持一定。此时，断开主机，输出降低负载指令。

(6)辅机故障时，主机以电压控制型进行通常的控制。此时，断开辅机，输出降低负载指令，见图7。

图7 SIV的并网控制

4.矢量控制

通过采用高性能微处理器进行矢量控制，实现并网运行控制方式。

矢量控制，通过把SIV的三相交流输出电压分离到d轴与q轴进行独立控制，实现了高应答高精度的电压控制，从而相对负载变动，接触网电压变动，能够提供稳定的输出。

矢量电压控制

把SIV输出电压瞬时值通过dq坐标分离为有效成分（d轴）与无效成分（q轴），以直流量的形式检测出，通过PI（比例积分）控制进行与指令值一致的定电压控制，理论上能够实现瞬时的电压检测。

辅机，以主机的输出电流d轴q轴为指令值，通过PI控制，进行电流控制使辅机的输出电流与指令值一致。

AC滤波衰减控制

相当于以往控制的输出电流控制的控制系，补偿伴随逆变器输出电流的变动而发生的输出电压变动。

DC滤波衰减控制

控制输出电压抑制负载突然变化以及接触网电压突然变化等干扰时发生的过度的滤波电容器电压的振动现象。

5.节能优势

为了比较各种供电模式的节能优劣，以下调查统计了采用并网供电的上海6号线二期项目车辆和采用分区供电的上海6号线一期项目车辆。

图8 矢量控制

(1)上海6号线二期项目（CRC设计，并网供电技术）

表1 装机功率的统计

夏季负载233.704kVA （考虑采用制冷系统）

冬季负载153.996kVA（考虑采用制暖系统）

表2 实际使用功率的分配

全负载工况下，每个辅助电源的实际使用功率为103.98kVA；每列车有2个辅助电源；按照RMS运行要求，1列车每天运行19h，则辅助总能耗约为3951.2kVA.h/列.天。

(2)上海6号线一期项目（Alstom设计，分区供电技术）

表3 装机功率统计

表4 实际使用功率的分配

全负载工况下，每个辅助电源的实际使用功率为141.5kVA；每列车有两个辅助电源；按照RMS运行要求，1列车每天运行19h；则辅助总能耗约为5377kVA.h/列.天。

(3)优劣

作为使用在同一条线路上，同样数量编组的列车；分区供电约需要324.4kVA的交流装机功率，并网供电则只需要233.7kVA，节约了90.7kVA的装机功率，节约比为28%。

全负载工况下，分区供电能耗约5377kVAh/列.天，并网供电则只需要3951.2kVAh/列.天，节约了1425.8kVAh/列.天，节约能耗比为26.5%。

其根本原因是由于分区供电考虑各类负载的恶劣工况，而并网供电仅仅考虑各类负载的正常工况，其恶劣工况通过并网控制来处理。

6.其他特点

(1)增强供电能力

由于并网供电是将所有三相负载并联在一个中压网络上，列车所有辅助电源同时向该中压网络供电；一旦有辅助电源出现故障而不能工作时，三相负载将根据供电能力进行降级模式运行。分区供电模式下，一旦有辅助电源停止工作时，相应供电的中压网络下的三相负载都将停止工作。

(2)降低生产成本

由于并网供电采用的是一路中压网络，只需要一组400V电缆，而其他无论分区供电和环行网络供电，都至少需要两组400V电缆；这样，从材料、安装工作量方面都较大地降低了成本。

(3)控制算法复杂

由于并网供电是基于采集电流并矢量化运算来控制辅助电源启动的，对控制精度及可靠性要求比较高，需要很高的设计水平；而其他如分区供电则结构单一、控制逻辑简单、易于实现。

四、结论

(1)并网供电技术相比于其他传统供电技术的节能优势明显。

(2)并网供电技术的控制算法复杂，对设计能力要求比较高。

(3)随着现场总线技术的成熟化发展，并网供电基于节能、低成本、交流负载高冗余的优点，势必将成为市场上的主流供电技术。