現(xiàn)代有軌電車供電方式的研究與對(duì)比

田 煒, 常鵬飛, 林嬋娟

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106）

0 引言

以汽車為主體的城市交通造成大氣污染、不可再生能源危機(jī)和道路堵塞等情況頻繁發(fā)生，發(fā)展城市公共交通是良好的解決方式。城市公共交通包括地鐵、輕軌、電動(dòng)公交車、有軌電車。其中地鐵在我國(guó)大城市建設(shè)趨于完善，而有軌電車憑借其中運(yùn)量、運(yùn)行可靠、成本低、節(jié)能環(huán)保等特性，更適用于大城市城區(qū)之間的聯(lián)系和中小城市的交通運(yùn)行需求。

有軌電車的供電方式有：①沿途架設(shè)架空線路，有軌電車通過受電弓連接架空線通電運(yùn)行；②第三軌供電，在鋼軌旁側(cè)鋪設(shè)一條特殊的輕型鋼條，輸入直流電作為牽引動(dòng)力；③感應(yīng)式地面供電系統(tǒng)，分別在電車行走軌下方和電車底部安裝線圈，能量通過?2?個(gè)線圈的電磁感應(yīng)從下方的線圈傳給電車[2]；④采用儲(chǔ)能裝置，以列車車載儲(chǔ)能裝置為動(dòng)力，各站點(diǎn)安裝充電裝置，列車到站后經(jīng)充電裝置接入供電網(wǎng)絡(luò)充電。

架空線路有軌電車存在影響城市景觀的問題，第三軌供電和感應(yīng)式地面供電都存在成本較大、維護(hù)困難等問題。而隨著對(duì)儲(chǔ)能元件的研究開發(fā)，其能量密度和功率密度得到大幅提升，儲(chǔ)能元件主要有鋰電池和超級(jí)電容組。如今，3??V/9??500??F?超級(jí)電容在城市交通中得到商業(yè)應(yīng)用，將多個(gè)超級(jí)電容串并聯(lián)組成的超級(jí)電容組作為儲(chǔ)能單元能滿足有軌電車的站間能量需求，其快速充放電的特性也適用于頻繁啟停的城市軌道交通。

有軌電車在充電期間頻繁短時(shí)大容量的脈沖功率需求對(duì)城市配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了很高的要求，需要對(duì)其充電方式進(jìn)行研究。本文將對(duì)?3?種不同供電網(wǎng)絡(luò)下的充電方式在充電效率、對(duì)供電網(wǎng)和配電網(wǎng)的影響方面進(jìn)行綜合比較。

1 超級(jí)電容有軌電車供電方式

有軌電車站間充電裝置結(jié)構(gòu)主要由其供電系統(tǒng)決定，分為直流供電網(wǎng)絡(luò)、中壓供電網(wǎng)絡(luò)、低壓供電網(wǎng)絡(luò)。

1.1 直流供電網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》，架設(shè)直流牽引供電網(wǎng)，直流供電電壓為?1??500??V。有軌電車車載超級(jí)電容在恒流充電的方式下效率最優(yōu)，其充電裝置功率變換主回路如圖?1?所示。

其由?LC?濾波、DC/DC?變換器、預(yù)充電電阻組成，采用交錯(cuò)級(jí)聯(lián)降低各個(gè)分支的充電電流。DC/DC?變換器將整流的直流電通過控制調(diào)整到合適的電壓或電流。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)有：模塊化設(shè)計(jì)、控制簡(jiǎn)單、方便擴(kuò)容。

1.2 中壓供電網(wǎng)絡(luò)

圖1 直流供電網(wǎng)絡(luò)下充電裝置主電路

中壓配電網(wǎng)額定電壓有?6??kV、10??kV、20??kV?？捎啥嗦纷冸娬緺恳娔艽罱ㄓ熊夒娷嚬╇娋W(wǎng)絡(luò)，其充電裝置主回路如圖?2?所示。

圖2 中壓供電網(wǎng)絡(luò)下充電裝置主電路

其由隔離變壓器、LCL?濾波器、AC/DC?整流器和斬波器組成。LCL?濾波器用于濾除有軌電車充電時(shí)產(chǎn)生的諧波，AC/DC?整流器采用三相?PWM?整流器，其作用是將三相交流電轉(zhuǎn)為直流電。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)在于諧波少、能獨(dú)立控制、可通過調(diào)整控制參數(shù)滿足有軌電車不同的充電需求。

1.3 低壓供電網(wǎng)絡(luò)

站間充電裝置就近接入?380V?城市低壓配電網(wǎng)，無需專門架設(shè)供電網(wǎng)絡(luò)。其功率變換主電路如圖?3?所示。為減小充電裝置對(duì)低壓配電網(wǎng)的容量沖擊，在充電裝置內(nèi)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，減小充電功率。

圖3 低壓供電網(wǎng)絡(luò)下充電裝置主電路

其主要由?LCL?濾波器、三相?PWM?整流器、超級(jí)電容組、斬波器、放電電阻組成。其工作模式是在有軌電車未進(jìn)站時(shí)，三相?PWM?整流器將三相交流電轉(zhuǎn)變成直流電給站內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，有軌電車到站后，站內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)通過斬波器為有軌電車充電。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是：無需架設(shè)專有線路、模塊化設(shè)計(jì)、對(duì)電網(wǎng)容量要求低、能適用于不同的供電網(wǎng)絡(luò)、具有極佳的適應(yīng)性。

2 充電裝置主電路控制策略

2.1 三相電壓型 PWM 的控制策略

有軌電車作為大容量負(fù)荷，其運(yùn)行會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾，若采用不控整流，則其功率因素較低，且車輛充電產(chǎn)生的諧波電流、無功功率和電路損耗會(huì)造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)和電網(wǎng)污染，使得有軌電車難以通過供電系統(tǒng)入網(wǎng)認(rèn)證。采用三相電壓型?PWM?整流器，雙閉環(huán)回路控制，交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制以提高充電裝置功率因素，直流側(cè)電壓外環(huán)控制以輸出恒壓信號(hào)，還可采用直流側(cè)電流外環(huán)控制輸出恒流信號(hào)。其控制框圖如圖?4?所示。

圖4 三相電壓型PWM控制框圖

2.2 DC/DC 控制策略

忽略電感電容的寄生電路，其主要功能是將?VSR?整流的直流電轉(zhuǎn)換為恒定的電流或電壓。根據(jù)超級(jí)電容的充電特性，采用先恒流后恒壓的充電方式。其控制框圖如圖?5?所示。

圖5 DC/DC 調(diào)壓器控制框圖

3 有軌電車充電對(duì)電網(wǎng)的影響分析

3.1 對(duì)城市輸電網(wǎng)的影響

直流牽引供電網(wǎng)和中壓牽引供電網(wǎng)絡(luò)下充電裝置輸入功率和有軌電車輸入功率相等，而低壓供電網(wǎng)絡(luò)下充電裝置輸入功率則低于有軌電車的輸入功率。充電裝置內(nèi)超級(jí)電容組充電時(shí)間為?2?輛有軌電車發(fā)車間隔時(shí)間，在同樣充電能量的前提下，其充電裝置輸入功率為前兩者的?1/20～1/6。以武漢超級(jí)電容有軌電車運(yùn)行參數(shù)為例，有軌電車輸入電壓為?DC900??V，輸入電流?1??200??A，輸入功率?1.08??MW，設(shè)站點(diǎn)?20?個(gè)。當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)充電時(shí)，采用直流牽引網(wǎng)和中壓牽引供電網(wǎng)絡(luò)下的充電方式對(duì)城市電網(wǎng)提出了極大挑戰(zhàn)。而儲(chǔ)能式充電裝置通過延長(zhǎng)充電時(shí)間極大地減小了對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的容量需求。

3.2 對(duì)城市配電網(wǎng)的影響

在滿足有軌電車線路充電站容量的前提下，由于直流供電網(wǎng)絡(luò)和中壓供電網(wǎng)絡(luò)采用的是專有線路，故其不會(huì)對(duì)其他用電負(fù)荷產(chǎn)生較大干擾。而儲(chǔ)能式充電裝置就近接入了?380V?城市低壓配電網(wǎng)，其充電功率約為配電網(wǎng)變壓器容量的?1/3。因此，需對(duì)有軌電車接入的線路進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，避免接入負(fù)荷過重的線路，更多考慮線路負(fù)載率低的接入點(diǎn)，故采用低壓供電網(wǎng)絡(luò)充電的有軌電車站點(diǎn)需根據(jù)城市負(fù)荷情況及有軌電車線路規(guī)劃綜合決定（表?1）。

表1 各充電方式性能對(duì)比

4 結(jié)論

未來有軌電車的快速發(fā)展必然會(huì)對(duì)城市電網(wǎng)帶來較大影響，對(duì)比研究合適的有軌電車充電方式，有助于更好地推廣有軌電車。由上述分析可以看出，以上?3?種供電網(wǎng)絡(luò)下充電裝置設(shè)計(jì)都能滿足有軌電車的充電要求，但考慮到對(duì)城市輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的影響，得出了儲(chǔ)能式充電裝置具有更好的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性的結(jié)論。其不需專門架設(shè)牽引網(wǎng)絡(luò)，極大降低了有軌電車充電容量，減小了功率和電網(wǎng)電壓波動(dòng)，以及相應(yīng)的電力增容費(fèi)和建設(shè)費(fèi)用。針對(duì)其供電可靠性，可以適當(dāng)增加充電裝置內(nèi)超級(jí)電容組容量，使得能滿足在供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)短暫故障或負(fù)荷較重時(shí)有軌電車的能量需求。同時(shí)，儲(chǔ)能充電裝置也適用于中壓供電網(wǎng)絡(luò)，具有模塊化特性和良好的適應(yīng)性。