城市轨道交通低碳节能技术研究

2022-09-20刘猛陆远基

运输经理世界 2022年2期

刘猛、陆远基

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

城市轨道交通（简称城轨）是电气化运营的大运量公共交通系统，随着我国城市轨道交通行业的发展，截至2020年底，我国运营城市轨道交通线路里程近8000km。城轨行业的发展，伴随着行业碳排放总量的持续上涨，与节能降耗、碳达峰的矛盾日渐突出。因此，需要从城市轨道交通行业角度，探索行业节能降耗的技术路线，以推动行业的高质量健康发展。

1 城市轨道交通关联系统

城市轨道交通列车运营主要由供电、信号、车辆等多个专业共同组成。车辆是旅客运输的载体，车辆的耗能主要体现在列车牵引辅助系统。车站环控设备主要是指站内的照明、空调、电梯等相关设备。

城轨供电系统一般由交流高压、牵引供电、低压动力照明等系统组成。牵引供电系统按电压等级，一般可分为DC1500V、DC750 两种。其中，DC750V 系统仅在北京、昆明、天津等城市应用，如北京房山线、昆明1 号线等。以DC1500V 系统为例，牵引变电所从市电35kV 电网取电，经降压变压器、整流器、直流开关柜等设备输出稳定的DC1500V。牵引变电所二极管整流供电系统拓扑结构图（见图1）。

图1 二极管整流供电系统拓扑

牵引变电所采用整流装置，实现交流电源到直流牵引电源的转换，由于采用二极管整流，系统只能实现能量的单向流动。列车制动时产生的能量，大部分被车载制动电阻以发热的形式消耗，进而导致隧道内热量的积累，使隧道温度上升。近年来，地铁公司开始在降压变压器与直流母线之间，新增能量回馈装置，用于列车制动能量的回收，较好地解决了既有线路的电制动能量的消耗问题。

城轨信号系统一般由车载信号设备和地面信号系统组成，是支撑列车运行的核心，通过ATC 控制系统，实现对列车的运行控制。为保证列车的正常运营，列车准点率和精准对标是信号系统的首要目标。

城轨列车牵引系统主要由受流装置、高速断路器、牵引逆变器、牵引电机、制动电阻等组成。以架空线受流为例，DC1500V 经受电弓给列车牵引系统供电，每个受电弓给两辆动车牵引逆变器提供电源，牵引系统利用轮轨黏着条件，根据列车当前载荷，自动调整牵引力的大小，驱动列车在不同载荷下以固定加速度启动。当列车处于制动工况时，优先使用电制动，通过受电弓将电制动能量回馈给直流电网，当电网不能吸收时，通过制动电阻消耗掉多余的电制动能量。

2 节能降耗技术研究

行业内针对城轨列车节能降耗的措施，主要立足车辆角度，从轻量化设计、减小列车阻力、再生制动的应用以及信号系统列车节能驾驶等角度制定实施改进。从城市轨道交通各相关专业出发，从顶层设计角度探索城轨行业节能降耗的技术路线。

2.1 双向变流供电系统

牵引变电所供电系统，行业内首选方案为二极管整流供电系统，输出电网电压波动范围DC1000～DC1800V，最高电压DC1950V，能量只能单向流动且提高了列车牵引系统对电网电压的适应难度。双向变流供电系统（见图2），通过双向可控变流技术，实现了能量的双向流动，减少了新增能量回馈装置产生的成本。

图2 双向变流供电系统拓扑

双向变流技术通过实时控制输出直流电压，可以实现输出电压的精准控制，为车辆提供稳定的直流输入电压，解决了二极管整流供电系统下功率因素低、无功功率返送、直流电压波动等问题。同时，利用双向变流供电系统稳定的直流输出电压特点，可采用更高电压等级，提高单个牵引变电所的供电距离，减少全线牵引变电所的初期投入。

电压等级的升高，牵引电机和牵引逆变器等效工作电流降低，牵引系统及线路的热损耗下降，可有效降低列车的牵引能耗。对国内某地铁线路进行列车运行仿真计算，对比列车在DC1500V、DC1800V 网压下，列车的牵引能耗（见图3）。

图3 不同电压下牵引能耗仿真计算

在相同线路、相同载荷、不同网压下，对列车进行线路仿真计算。在不考虑电制动能量回馈下，DC1800V 网压下的牵引能耗，较DC1500V 网压下的牵引能耗有较明显的降低（见图3）。同时，电压等级的提高，可以降低全线直流弓网电流，进一步降低线路损耗。由于DC1800V 网压处于既有地铁供电线路的网压范围内，不会对土建、供电设备产生任何影响，无需改变土建施工的既有标准，拥有很好的市场推广基础。

双向变流供电系统应用后，可实现电制动能量100%回收，电制动能量全部回馈至高压交流电网。对列车而言，可取消制动电阻，在实现车辆的轻量化、降低能耗的同时，可以减少隧道内热量的积累，进一步减少站内空调对制冷量的需求，降低车站环境控制设备的能耗。

2.2 列车牵引系统

城轨列车牵引系统是实现列车牵引运行的执行系统，通过响应信号系统的控制指令，实现列车的牵引控制，是列车牵引能耗的直观体现。从牵引系统角度降低能耗的技术路线，主要考虑更加高效的牵引系统。

永磁同步牵引电机因为转子采用永磁材料励磁，转子没有损耗，具有高功率密度、高效率、高功率因素的特点。永磁同步电机低速段的高效特性，与城轨列车频繁启动的工况契合，可以大大提高系统传动效率，在减少牵引能耗的同时，增加电制动工况下的能量回馈。长沙地铁1 号线永磁牵引系统的应用，经第三方评估，相比异步牵引系统综合节能接近30%。

下一代功率半导体SiC 器件以其高耐压、高频、耐高温等特性，驱动了牵引变流器高效、高功率密度和轻量化。在实现牵引效率的进一步提升的同时，实现了列车进一步的轻量化，促进城轨列车的节能降耗。

2.3 高效辅助系统

列车辅助系统主要是给空压机、风机、空调、压缩机等设备提供AC380V 电源，同时对列车照明、广播、PIS 及车载控制系统提供DC110V 电压。列车运营时，辅助系统为长时工作制，辅助逆变器的效率，直接制约了列车辅助系统的能耗升级。

工频两电平辅助逆变器采用DC/AC 直接逆变技术，输出端通过工频变压器隔离，得到稳定的三相交流输出电源。技术成熟可靠，但整机效率较低（一般在90%左右），长时间工作下，热损耗的能量较高。高频辅助逆变器的开发，采用软开关技术、多电平技术，提高整机效率（一般大于93%），降低辅助系统运行过程中的热损耗，减少电能的消耗。同时，高频辅助逆变器的技术，大幅度降低了磁性元件的体积重量，实现整机的轻量化、小型化设计，进一步实现列车的轻量化。

2.4 最佳控车策略

城轨列车信号系统通过ATO 模式控车，代替了司机人工驾驶模式。为了响应绿色低碳发展，通过列车自动驾驶（ATO）技术和自动监控（ATS）技术，研究列车节能调度控制策略，根据线路条件，自动跟随最佳节能调度运营。为进一步探索最佳控车策略，联合信号、车辆、TCMS、牵引等多系统协作。根据线路条件、列车实时响应特性及牵引系统效率特性，选择更合适的加减速控制，并最大限度地利用列车惰行。

在工程应用阶段，基于实际线路，对列车采取最小运行时间曲线、惰行运行曲线、节能运行曲线等策略进行控制。通过对比列车的能耗特征，在满足安全与精准对标的前提下，选择最佳的控车策略，充分利用列车惰性节能（见图4）。

图4 最优控车模式关联系统图

对国内某地铁线路进行仿真计算，对比列车在不同控车模式下，列车的牵引能耗。以列车旅行速度为目标，根据线路条件采取节能运行模式时，可以更大限度地利用列车惰行，从而降低列车的牵引能耗（见图5）。

图5 不同控车模式下牵引能耗仿真计算

在相同线路、相同载荷、相同网压下，采用快速运行模式和节能运行模式对列车进行线路仿真计算。在不考虑电制动能量回馈下，节能运行模式可以充分发挥列车惰性节能的优势，相比快速运行模式下的牵引能耗有明显降低，如图5 所示，以此次选择的线路条件和列车特性为参考，列车牵引能耗下降接近一半。基于列车牵引制动特性和运营时刻图，通过信号调整列车运行曲线实现节能。

2.5 其他技术研究

城市轨道交通的低碳节能发展，还可考虑节能坡的设计，将列车进出站区间段设计为上坡进站，下坡出站，利用列车重力势能实现列车的减速、加速。在既有采用二极管整流供电系统的线路上，在配置能量回馈装置的同时，合理考虑储能装置的接入，可有效实现列车能量的削谷调峰，实现列车瞬时大级位制动时的能量全回收。随着新能源的成熟应用，城市轨道交通作为公共交通设备，在城市中具有丰富的土地资源，特别是车辆段和高架桥车站，可引入光伏发电作为车站用电，充分利用光照条件，引入绿色清洁能源，降低行业对电网电能的需求。