节能技术在城市轨道交通车辆牵引传动系统中的应用

2019-10-21曹虎董凯孙丛君白旭峰李华郝帅何俊鹏

现代城市轨道交通 2019年9期

曹虎董凯孙丛君白旭峰李华郝帅何俊鹏

摘要：牵引传动系统是城市轨道交通车辆的重要耗能系统，节能技术在牵引传动系统中的应用对于城市轨道交通未来的发展意义重大。通过结合城市轨道交通列车能耗仿真软件对车辆能耗构成进行分析，提出牵引传动系统的主要节能措施，并重点介绍碳化硅功率器件、永磁同步牵引传动、中高频大功率 DC-DC 辅助变流和 DC600V直流供电等节能技术的现状和应用特点，以期为节能技术在城市轨道交通牵引传动系统中的应用提供参考和借鉴。

关键词：城市轨道交通;牵引传动系统;节能技术;碳化硅功率器件;永磁同步牵引电机;中高频大功率辅助变流;DC600V直流供电

中图分类号：U270.35

0 引言

城市轨道交通不仅具有安全、高速、准时、可计划以及大运量等特点，还有助于节能减排，建设资源节约、环境友好型社会。虽然，按同等运能比较，轨道交通的能耗比其他交通工具小，但由于其大运量的特点，其总耗电量仍相当大，依然有节电潜力。

城市轨道交通车辆牵引传动系统是一个包括高压电气回路、牵引变流系统、辅助变流系统和接地回路等子系统的复杂系统。牵引能耗在城市轨道交通车辆总能耗中占主要部分。新一代功率器件和新型电机的应用为提升牵引传动系统能效提供了基础条件，新的拓扑和控制方法则有助于最大限度地实现小型轻量化设计。因此，在设计和制造此系统时，应把握高效、智能化、小型轻量化的发展方向，综合分析各子系统相关的节能技术，把节能分析、节能设计、节能管理紧密结合起来，从而达到提高综合能效指标的目的。

1 城市轨道交通车辆能耗构成

电能消耗是城市轨道交通系统运营过程中能源消耗的主要形式，主要包括列车运行牵引能耗以及车站动力照明设备能耗。列车运行牵引能耗即列车运行所消耗的牵引电能，主要包括车辆牵引系统和辅助系统能耗。根据对城市轨道交通的用电负荷统计分析，牵引系统能耗占城市轨道交通车辆运营能耗的40%～50%。

定量分析城市轨道交通车辆的能耗影响因素、评估能耗大小、找出节能突破点，对降低城市轨道交通车辆运输成本、提升能源利用率、提高经济效益以及维持可持续发展都有很现实的意义。为此，中车青岛四方车辆研究所有限公司研究团队（以下简称“研究团队”）开展了城市轨道交通列车能耗成因及机理的研究，并进行了能耗仿真软件的开发。该软件以城市轨道交通车辆动力学模型和各部件主要参数作为模型计算主体，输入车辆基本情况和运行工况，输出系统能耗计算结果和各部件综合能量效率，其结构框架如图1所示。该软件通过计算不同种类城市轨道交通车辆在不同运行工况条件下所受的合力，进而计算在固定速度工况条件下的功率需求及能量消耗，同时通过对各部件输入及输出功率进行积分计算得到各部件的能量效率，为城市轨道交通列车动力系统能耗评价提供仿真计算依据。因此，上述能耗仿真软件可在一定程度上指导系统设计和设备选型，优化整车及关键系统设计。

为了验证该能耗仿真软件的合理性和可行性，将重庆地铁10号线列车的相关信息输入到仿真软件中，并将仿真结果与列车在实际单程运行工况下的能耗进行对比分析，结果如图2所示。从图2中可以看出，牵引能耗仿真结果与实际牵引能耗变化趋势一致。在上述实际单程运行过程中，牵引能耗仿真结果为580 kW · h，实际牵引能耗为540 kW · h，仿真结果与实际数值的偏差为7.41%，证明仿真软件能够较好地反映城市轨道交通列车的牵引能耗水平。

此外，该软件能够仿真计算出城市轨道交通车辆运行能耗的组成部分及分布情况，如牵引系统损耗、列车运行阻力损耗、辅助系统能耗等，如图3所示。由仿真结果可知，牵引系统损耗和辅助系统能耗总和约占整个车辆能耗的70%，列车制动损耗约占15%，所以提高牵引和辅助设备能量转换效率，降低制动损耗是车辆节能的最有效途径。

2 牵引传动系统节能措施

牵引传动系统是城市轨道交通车辆的主要耗电设备，由高压电气回路、牵引变流系统、辅助变流系统和接地回路等子系统组成。牵引变流系统负责将直流供电电源转换为用于驱动电机的交流变频电源，辅助变流系统负责将直流供电电源转换为用于车辆空调、照明的工频电源，两者是整个车辆能量转换的重要组成部分，所以提高这两大系统关键设备的能量转换效率是节能的关键。

2.1 碳化硅（SiC）功率器件的应用

近年来，随着以SiC为代表的宽禁带半导体材料制备及生产工艺的迅速发展，高电压、大电流的SiC功率半导体器件逐渐投入市场，以美国CREE公司为代表的企业已推出各种电压等级的SiC功率器件。SiC功率器件具有耐高温、耐高压、工作频率高等特性，可提高车辆牵引变流器和辅助变流器的效率，减小其工作噪声，并能够通过提高整机功率密度实现减轻整车质量和节能的目的。

目前商业化SiC功率器件的优点主要体现在开关损耗、开关频率和温度特性上。图4为SiC功率器件与传统硅（Si）功率器件开关电流的对比波形。试验结果表明，SiC功率器件在开关损耗上有明显优势，尤其是二极管反向恢复损耗。此外，相比Si功率器件，SiC功率器件的开关损耗热稳定性更好，其开通和关断损耗并不会随着器件结温的变化而显著变化，如图5所示，这一特点非常有利于提高变流器的热稳定性。

在变流器的设计中，应用SiC功率器件不但可以降低系统功率损耗，而且可以通过提高开关速度优化磁性材料的应用特性，减小磁芯元件的尺寸和質量，并降低直流支撑电容的容值。系统功率损耗的减小也降低了对散热部件的要求，因此允许使用更小的散热器和风机，甚至取消风机，从而实现设备组件及设备的小型化、轻量化。但由于SiC功率器件的价格较高，在实际应用中要综合考虑各种设计因素，以实现系统的最优配置。

研究团队以某有轨电车牵引系统（车辆采用DC750V电源供电）的技术指标为设计目标，分别开发了应用Si和SiC半导体开关器件的牵引和辅助变流器。牵引变流器的额定工作容量360 kVA，输出电压0～

520 V，输出电流440 A;辅助变流器的额定容量40 kVA，充电机的额定功率10 kW。研制出的样机参数如表1所示，采用SiC功率器件的牵引变流器体积比采用Si功率器件减小超过30%，质量减小近40%。为了进一步对比SiC功率器件在损耗方面的优势，研究团队进行了不同速度下的效率试验，试验结果如表2所示。由表2可知，相比于Si功率器件的牵引变流器， SiC牵引变流器的运行效率提升约1.4%，系统损耗降低约53%。

采用SiC功率器件的辅助变流器箱在质量上也有明显减小，但减小效果没有牵引变流器明显，仅为16%。分析质量减小的效果未达到更优的主要原因是：为了平衡设计成本和系统效率，SiC功率器件未采用更高的开关频率。对SiC辅助变流器进行的效率测试结果表明，系统效率提升3%，达到95%，系统损耗降低约42%。除此之外，对辅助系统进行的温升试验结果表明（图6），无论是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）还是电磁器件，温升均有明显降低，这可显著提高系统的稳定性和可靠性。

SiC功率器件具有工作频率高、耐高温、低损耗等诸多性能优势，有利于推动电能转换技术的革新，发展绿色智能轨道交通。但由于目前SiC功率器件的电压、电流等级以及成本等因素，要实现其在城市轨道交通行业的大规模商业应用，仍有不少难题需要克服。

2.2 永磁同步牵引传动技术

在轨道牵引传动系统中，永磁同步牵引电机以其高效率、高功率密度、低噪声等优点受到国内外的广泛关注。德、日、法等轨道交通装备制造强国均将永磁同步牵引系统作为第3代轨道交通牵引技术进行研究和开发，目前已进入样机工程化和商业化的应用阶段。牵引系统采用永磁同步电机，可有效降低系统能耗和噪声水平，减少电机日常维护工作，符合建立绿色城市交通系统的理念，已成为下一代城市轨道交通的发展方向。

永磁同步牵引电机采用具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩余磁化强度的永磁材料，与异步牵引电机相比，其主要优势在于过载能力强、功率因数高、效率高、噪声低。图7为永磁同步牵引电机与异步牵引电机的效率分布图，表征电机全运行工况下的效率高低，图中深红色区域为高效区域。由图7可知，永磁同步牵引电机的高效区域面积远大于异步牵引电机。由于城市轨道交通运行站间距短，列车频繁启停，牵引电机经常低速运转，而永磁同步牵引电机全工况范围内的高效特性可更加节能。同时，采用具有高磁能积的永磁体可提高永磁同步牵引电机的功率密度，从而可在相同功率下减小电机的体积与质量。由于永磁同步牵引电机的效率显著提高，电机自身发热大幅度减少，特别是转子的发热量明显降低，因此可以依据系统需求实现全封闭设计，这样不仅可减少清扫维护工作，也可降低噪声。

研究团队根据青岛地铁11号线牵引系统的技术指标（车辆采用第三轨DC1500V供电，牵引系统采用轴控方式），开发了永磁同步牵引系统，电机的额定功率为230 kW。该系统于2017年9月在青岛地铁11号线通过了地面试验、装车试验、空载试运行和正线载客运营各个阶段的考核。表3为永磁同步牵引列车和异步牵引列车载客运营期间的能量生成和消耗数据，包括牵引能耗、回馈电网能量和制动电阻能耗。由表3可知，永磁同步牵引列车平均每千米的能耗为10.41 kW · h，回馈电网能量为5.55 kW · h，相比异步牵引列车，永磁同步牵引列车平均每千米牵引能耗可减少0.42 kW · h，回馈电网能量多0.2 kW · h。制动能量除了回馈电网外，还有一少部分被制动电阻消耗，因此综合考虑回馈电网与制动电阻消耗的再生能量，永磁同步牵引列车平均每千米的总能耗为3.95 kW · h，比异步牵引列车（平均每千米4.64 kW · h）节能15%。按照异步牵引列车每年运行20万km，每千米耗电4.64 kW · h计算，1列列车1年将耗能92.8万kW · h。由此可知，基于永磁同步牵引系统的列车每年可节约电能近14万 kW · h。

如今，异步牵引系统已经非常成熟，从供应商到运营部门都积累了大量的设计、运用和维护经验，而永磁同步牵引系统的应用经验较少，需要针对永磁同步电机的特殊性，依据系统顶层指标对永磁同步电机的反电势、短路电流以及牵引系統的主电路拓扑结构等进行合理设计，以使永磁同步牵引系统在满足系统牵引/制动特性的前提下安全可靠地工作。

2.3 中高频大功率 DC-DC 辅助变流技术

传统辅助电源多采用工频拓扑，先将直流电逆变，再经工频变压器降压隔离，输出三相工频交流电源。由于工频变压器工作频率低、功率密度小，因此体积、质量和损耗通常较大。此外，逆变回路通常选用3 300 V等级的IGBT，电能转换过程中开关损耗较大，所以传统辅助电源的实际效率通常小于91%。

随着大功率DC-DC软开关技术的发展，采用中高频大功率DC-DC隔离技术的辅助电源已成为城市轨道交通车辆辅助电源的重要发展趋势。中高频大功率DC-DC辅助电源的结构如图8所示，与传统辅助电源电路拓扑相比，该拓扑在三相逆变器前增加一级带高频变压器隔离的DC-DC变换器，即先对高压直流电源进行降压斩波，再逆变输出AC380V电源。它与采用工频方案的辅助电源最大不同在于采用高频逆变器、高频隔离变压器、高频整流滤波器的结构，将网侧输入电压降压斩波为所需要的直流电压。

采用这种电路结构有以下优点。

（1）变压器效率高、体积小、质量小。以某项目130 kVA辅助电源的变压器为例，采用此种电路结构后变压器损耗由2.6 kW降低到0.8 kW，质量由原来的450 kg减小到100 kg以内。

（2）逆变频率高、损耗小。由于输入电压经过DC-DC斩波降压，因此逆变回路可采用1 700 V或更低电压等级的IGBT，开关损耗低，开关频率进一步提高。这有利于减小散热部件尺寸和优化三相滤波回路参数，减小部件质量，提高系统效率。

（3）系统效率高。在隔离型中高频大功率DC-DC结构中多使用谐振软开关技术，即利用谐振过程中电压和电流周期性过零的特点实现软开关，降低器件的开关损耗，提高能量转换效率。

采用中高频大功率DC-DC变流技术的辅助电源已在多个地铁项目中装机应用。表4是研究团队针对6节编组的城市轨道交通车辆分别为传统辅助电源和中高频大功率DC-DC辅助电源制定的技术指标。对比质量参数可知，在保持箱体尺寸不变的情况下，单台电源的质量由原来的1 450 kg减小到1 010 kg，减小约30%。此外，由于辅助逆变电源采用中高频大功率DC-DC变流技术，电源效率由原来的91%提高到94.5%。但由于其电路拓扑结构复杂，系统控制难度大，对系统可靠性设计要求较高。

2.4 DC600V 直流供电技术

除了采用更先进的半导体器件以及更高效的电路拓扑以外，通过优化或改变整车供电制式和供电模式、减少能量转换环节、提高电能利用率，也是车辆节能的重要手段。研究团队研发的DC600V直流供电技术即采用这种方案。

DC600V直流供电技术是在列车辅助电源中高频化以及空调电源变频化的应用背景下提出的。上海市轨道交通5号线、沈阳地铁1号线以及北京地铁燕房线的车辆已采用变频空调替代传统的定频空调。目前，城市轨道交通列车上的变频空调机组多采用交-直-交变频器，先将工频AC380V整流成直流电压，再经逆变单元转变成频率可调的交流电输出，其存在结构复杂、能量转换效率低的缺点。针对此问题，研究团队对变频空调的直流供电系统进行研究，研制出DC600V辅助供电系统，增加DC600V输出电压制式，使空调机组直接从该供电系统上取电，不但省去了空调机组的中间整流环节，还大大降低了AC380V逆变电源的设计容量，减小了设备的质量和体积，实现了列车辅助电源的小型化及轻量化。

DC600V辅助供电系统（图9）是将DC1500V高压电转换成DC600V、AC380V以及DC110V，为空调、通风机、空气压缩机、蓄电池充电器以及照明等辅助设备提供电源。DC600V辅助供电系统的各种电气设备按功能、电压等级可分为高壓输入回路、辅助电源箱、中压母线回路、低压母线回路、列车负载供电回路以及DC24V电源。对于表4中6节编组的城市轨道交通车辆辅助电源，在引入DC600V供电制式后，由于空调直接从DC600V取电，AC380V逆变电源的设计容量由原来的单台190 kVA降低到了65 kVA。该指标的降低无论是对变流单元还是输出三相LC滤波回路，都起到了减小尺寸和质量的作用。此外，采用DC600V直流供电技术，还促进了中高频大功率DC-DC辅助电源的推广应用。

3 总结与展望

本文对节能技术在城市轨道交通车辆牵引传动系统中的应用进行了研究，结合研究团队的最新研究成果，重点介绍了SiC功率器件、永磁同步牵引传动、中高频大功率DC-DC辅助变流、DC600V直流供电4种技术的现状和应用特点。SiC器件具有工作频率高、耐高温、低损耗等性能优势，可以给包括牵引变流器和辅助变流器在内的功率变换装置带来革命性改进，使得新一代变流系统在效率、小型轻量化、控制性能等方面具备明显优势。永磁同步牵引电机与异步牵引电机相比，不仅在效率方面有巨大优势，而且在功率密度、转矩特性、可维护性等方面也优于后者。中高频大功率DC-DC辅助变流技术的应用，使得变压器更小、更轻;降压斩波后的直流电压较低，对器件耐压等级的要求也较低，开关损耗也因此降低;加上使用谐振软开关技术，进一步提高了系统效率。DC600V直流供电技术通过优化整车电能转换环节，不仅在输出上适应了新型负载对辅助供电系统的要求，而且可以大大减小AC380V的逆变电源的设计容量，从而实现小型、轻量化设计。

城市轨道交通牵引传动系统中节能技术的发展已经取得诸多成果，但仍有一些亟待解决的技术问题。例如，SiC功率器件目前仍难以大规模商业应用，永磁同步电机的设计与控制技术尚不成熟，目前针对牵引系统各部分的节能研究缺乏系统性。今后应该从这些方面着手，逐步优化城市轨道交通牵引传动系统中的节能技术。

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