城市轨道交通列车紧急自牵引方案研究

2012-01-16袁登科周巧莲余国华樊朝晖吕传贤

城市轨道交通研究 2012年3期

袁登科周巧莲余国华樊朝晖吕传贤

（1.同济大学电气工程系，200092，上海；2.上海申通地铁集团有限公司，201103，上海；3.苏州星恒电源有限公司，215011，苏州∥第一作者，讲师）

常年处于超负荷运行状态下的城市轨道交通，会使其牵引供电系统的保护动作频发、供电线路老化加剧、供电安全事故不断［1］。世界很多大城市已经建立了针对城市轨道交通的应急救援机制，例如在车站提供了紧急公交车用以疏散大量乘客。但在某些情况下城市轨道交通的供电系统出现故障，列车只能滞留原处等待救援。

本文给出了一种新颖的紧急救援方案：安装一套车载储能系统，依靠该系统提供的电能，使城市轨道交通列车在统一指挥下实施自牵引［2－3］，行驶至合适的邻近车站，而不需要外部救援列车的介入。本方案可以成为城市轨道交通应急系统中的一个重要组成部分，可以在第一时间内实施有效救援，并可大大提高应急救援系统的灵活性。在某些特殊情况下（如短区域内断电等），仍然可以使城市轨道交通网络保持通畅的运营。

1 具有紧急自牵引能力的列车牵引系统架构

1.1 现有列车牵引电气系统

以上海轨道交通11号线为例，现有的动车牵引电气系统示意如图1所示。图1中，列车受电弓将1 500V架空接触网高压直流电引入动车，先后经过5个部分——预充电电路、线路低通滤波器、过压抑制电路、牵引逆变器和交流牵引电机。其中，牵引逆变器将直流电能变换成交流牵引电机调速所需的变压变频（Variable Voltage Variable Frequency，简为VVVF）三相交流电，而牵引电机将电能与机械能进行相互转化。这两者是牵引电气系统的核心。

图1 现有城市轨道交通列车牵引电气系统示意图

1.2 列车紧急自牵引系统

列车紧急自牵引系统（Emergency Self Traction System，简为ESTS）的方框图如图2所示。图2中粗线表示功率流，细线表示信号流。ESTS包含能量存储系统（Energy Storage System，简为ESS）、接口电路、ESTS控制器和人机界面等部分。其中最为重要的就是车载能量存储系统。目前，城市轨道交通列车已经配置有车载低压110V蓄电池组，通常为两组蓄电池，其总容量约300Ah。根据相关标准要求［5］，蓄电池在列车故障情况下提供紧急照明和紧急通风使用。电池组的功率与能量都比较小［6－7］，不能用于正线列车的自牵引行驶。

图2 列车紧急自牵引系统方框图

比较目前技术成熟且适于列车应用的储能方式，最适宜的依然是蓄电池。常用于列车的蓄电池是铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。另外，苏州星恒电源有限公司设计的国产磷酸铁锂离子电池组已于2010年在南京地铁列车开始使用，经受了列车110V低压系统兼容性和充放电能力等多方面的考验，使之替代镍镉蓄电池已成为可能。三种蓄电池组的对比见表1。

目前，城市轨道交通列车普遍使用的是镍镉蓄电池，但是其最明显的缺点是记忆效应和重金属镉的污染。从表1的对比中可以看出，锂离子蓄电池的体积和重量最小，维护工作少，因而是车载储能器件的最佳选择。此外，一组锂离子蓄电池的价格目前约10万～15万元，与SAFT等国外知名的镍镉蓄电池相比，锂离子蓄电池组在价格上并无劣势。

在列车实施自行牵引中，牵引逆变器采用ESS供电。110V蓄电池难以提供相应功率，通常可以将多组蓄电池进行串联使用。

表1 城市轨道交通列车110V/120Ah蓄电池组性能比较表

2 列车紧急自牵引系统设计

2.1 典型工况设定

由上海轨道交通11号线线路坡道汇总表（见表2）可知，小于10‰坡度的坡道在所有坡道中过半数，所以列车紧急自牵引的典型运行工况设定为：列车位于10‰、500m的坡道开始启动加速（较苛刻的工况），其后是1 000m的平直坡道，列车运行速度为10km/h，负载设定为 AW0（空车）、AW2（额定负载）与AW3（最大负载）三种。

表2 上海轨道交通11号线的线路坡道汇总表

2.2 工况仿真分析

在MATLAB软件平台上，编制仿真软件对列车的功率与能量需求进行仿真。三种负载工况下的仿真结果见图3。在图3中，从上到下分别为牵引电气功率Pe、能耗Ee、牵引力F，以及4组110V蓄电池串联后在最低电压下放电电流I的仿真曲线。

图3 不同工况下仿真波形

2.3 蓄电池系统设计

图4 给出了磷酸铁锂离子电池在不同放电倍率下的放电特性曲线。按照单节蓄电池放电电压到2.6V计算，在3C（放电倍率）下可以进行约20min的100%放电。在5C下可以进行约11.5min的97%放电。即便按照10C下进行放电也可以持续约5.5min。由此可明显看出，锂离子电池在大倍率电流放电时具有良好的库仑效率。

将4组110V/120Ah锂离子电池串联后供给列车紧急自牵引使用，在AW0负载下，蓄电池组基本是在3C内放电；在AW2负载下，蓄电池组基本在3.3C左右放电；在AW3负载下，蓄电池组基本按照4C放电。将图3与图4对比可以看出，锂离子电池的放电能力有较大保留。在AW3负载的列车紧急牵引工况中，蓄电池的放电深度也仅约30%。这样，即便考虑到电池组的初始电荷状态、老化系数等因素，4组蓄电池完全可以满足上述工况的需求。