城市軌道交通低碳節(jié)能技術(shù)研究

劉猛、陸遠(yuǎn)基

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

城市軌道交通（簡(jiǎn)稱(chēng)城軌）是電氣化運(yùn)營(yíng)的大運(yùn)量公共交通系統(tǒng)，隨著我國(guó)城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展，截至2020年底，我國(guó)運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線(xiàn)路里程近8000km。城軌行業(yè)的發(fā)展，伴隨著行業(yè)碳排放總量的持續(xù)上漲，與節(jié)能降耗、碳達(dá)峰的矛盾日漸突出。因此，需要從城市軌道交通行業(yè)角度，探索行業(yè)節(jié)能降耗的技術(shù)路線(xiàn)，以推動(dòng)行業(yè)的高質(zhì)量健康發(fā)展。

1 城市軌道交通關(guān)聯(lián)系統(tǒng)

城市軌道交通列車(chē)運(yùn)營(yíng)主要由供電、信號(hào)、車(chē)輛等多個(gè)專(zhuān)業(yè)共同組成。車(chē)輛是旅客運(yùn)輸?shù)妮d體，車(chē)輛的耗能主要體現(xiàn)在列車(chē)牽引輔助系統(tǒng)。車(chē)站環(huán)控設(shè)備主要是指站內(nèi)的照明、空調(diào)、電梯等相關(guān)設(shè)備。

城軌供電系統(tǒng)一般由交流高壓、牽引供電、低壓動(dòng)力照明等系統(tǒng)組成。牽引供電系統(tǒng)按電壓等級(jí)，一般可分為DC1500V、DC750 兩種。其中，DC750V 系統(tǒng)僅在北京、昆明、天津等城市應(yīng)用，如北京房山線(xiàn)、昆明1 號(hào)線(xiàn)等。以DC1500V 系統(tǒng)為例，牽引變電所從市電35kV 電網(wǎng)取電，經(jīng)降壓變壓器、整流器、直流開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備輸出穩(wěn)定的DC1500V。牽引變電所二極管整流供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 二極管整流供電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

牽引變電所采用整流裝置，實(shí)現(xiàn)交流電源到直流牽引電源的轉(zhuǎn)換，由于采用二極管整流，系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)能量的單向流動(dòng)。列車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，大部分被車(chē)載制動(dòng)電阻以發(fā)熱的形式消耗，進(jìn)而導(dǎo)致隧道內(nèi)熱量的積累，使隧道溫度上升。近年來(lái)，地鐵公司開(kāi)始在降壓變壓器與直流母線(xiàn)之間，新增能量回饋裝置，用于列車(chē)制動(dòng)能量的回收，較好地解決了既有線(xiàn)路的電制動(dòng)能量的消耗問(wèn)題。

城軌信號(hào)系統(tǒng)一般由車(chē)載信號(hào)設(shè)備和地面信號(hào)系統(tǒng)組成，是支撐列車(chē)運(yùn)行的核心，通過(guò)ATC 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的運(yùn)行控制。為保證列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)，列車(chē)準(zhǔn)點(diǎn)率和精準(zhǔn)對(duì)標(biāo)是信號(hào)系統(tǒng)的首要目標(biāo)。

城軌列車(chē)牽引系統(tǒng)主要由受流裝置、高速斷路器、牽引逆變器、牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻等組成。以架空線(xiàn)受流為例，DC1500V 經(jīng)受電弓給列車(chē)牽引系統(tǒng)供電，每個(gè)受電弓給兩輛動(dòng)車(chē)牽引逆變器提供電源，牽引系統(tǒng)利用輪軌黏著條件，根據(jù)列車(chē)當(dāng)前載荷，自動(dòng)調(diào)整牽引力的大小，驅(qū)動(dòng)列車(chē)在不同載荷下以固定加速度啟動(dòng)。當(dāng)列車(chē)處于制動(dòng)工況時(shí)，優(yōu)先使用電制動(dòng)，通過(guò)受電弓將電制動(dòng)能量回饋給直流電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)不能吸收時(shí)，通過(guò)制動(dòng)電阻消耗掉多余的電制動(dòng)能量。

2 節(jié)能降耗技術(shù)研究

行業(yè)內(nèi)針對(duì)城軌列車(chē)節(jié)能降耗的措施，主要立足車(chē)輛角度，從輕量化設(shè)計(jì)、減小列車(chē)阻力、再生制動(dòng)的應(yīng)用以及信號(hào)系統(tǒng)列車(chē)節(jié)能駕駛等角度制定實(shí)施改進(jìn)。從城市軌道交通各相關(guān)專(zhuān)業(yè)出發(fā)，從頂層設(shè)計(jì)角度探索城軌行業(yè)節(jié)能降耗的技術(shù)路線(xiàn)。

2.1 雙向變流供電系統(tǒng)

牽引變電所供電系統(tǒng)，行業(yè)內(nèi)首選方案為二極管整流供電系統(tǒng)，輸出電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍DC1000～DC1800V，最高電壓DC1950V，能量只能單向流動(dòng)且提高了列車(chē)牽引系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓的適應(yīng)難度。雙向變流供電系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），通過(guò)雙向可控變流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)，減少了新增能量回饋裝置產(chǎn)生的成本。

圖2 雙向變流供電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

雙向變流技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)控制輸出直流電壓，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精準(zhǔn)控制，為車(chē)輛提供穩(wěn)定的直流輸入電壓，解決了二極管整流供電系統(tǒng)下功率因素低、無(wú)功功率返送、直流電壓波動(dòng)等問(wèn)題。同時(shí)，利用雙向變流供電系統(tǒng)穩(wěn)定的直流輸出電壓特點(diǎn)，可采用更高電壓等級(jí)，提高單個(gè)牽引變電所的供電距離，減少全線(xiàn)牽引變電所的初期投入。

電壓等級(jí)的升高，牽引電機(jī)和牽引逆變器等效工作電流降低，牽引系統(tǒng)及線(xiàn)路的熱損耗下降，可有效降低列車(chē)的牽引能耗。對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線(xiàn)路進(jìn)行列車(chē)運(yùn)行仿真計(jì)算，對(duì)比列車(chē)在DC1500V、DC1800V 網(wǎng)壓下，列車(chē)的牽引能耗（見(jiàn)圖3）。

圖3 不同電壓下?tīng)恳芎姆抡嬗?jì)算

在相同線(xiàn)路、相同載荷、不同網(wǎng)壓下，對(duì)列車(chē)進(jìn)行線(xiàn)路仿真計(jì)算。 在不考慮電制動(dòng)能量回饋下，DC1800V 網(wǎng)壓下的牽引能耗，較DC1500V 網(wǎng)壓下的牽引能耗有較明顯的降低（見(jiàn)圖3）。同時(shí)，電壓等級(jí)的提高，可以降低全線(xiàn)直流弓網(wǎng)電流，進(jìn)一步降低線(xiàn)路損耗。由于DC1800V 網(wǎng)壓處于既有地鐵供電線(xiàn)路的網(wǎng)壓范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)土建、供電設(shè)備產(chǎn)生任何影響，無(wú)需改變土建施工的既有標(biāo)準(zhǔn)，擁有很好的市場(chǎng)推廣基礎(chǔ)。

雙向變流供電系統(tǒng)應(yīng)用后，可實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)能量100%回收，電制動(dòng)能量全部回饋至高壓交流電網(wǎng)。對(duì)列車(chē)而言，可取消制動(dòng)電阻，在實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的輕量化、降低能耗的同時(shí)，可以減少隧道內(nèi)熱量的積累，進(jìn)一步減少站內(nèi)空調(diào)對(duì)制冷量的需求，降低車(chē)站環(huán)境控制設(shè)備的能耗。

2.2 列車(chē)牽引系統(tǒng)

城軌列車(chē)牽引系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)列車(chē)牽引運(yùn)行的執(zhí)行系統(tǒng)，通過(guò)響應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的牽引控制，是列車(chē)牽引能耗的直觀體現(xiàn)。從牽引系統(tǒng)角度降低能耗的技術(shù)路線(xiàn)，主要考慮更加高效的牽引系統(tǒng)。

永磁同步牽引電機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)子采用永磁材料勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子沒(méi)有損耗，具有高功率密度、高效率、高功率因素的特點(diǎn)。永磁同步電機(jī)低速段的高效特性，與城軌列車(chē)頻繁啟動(dòng)的工況契合，可以大大提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率，在減少牽引能耗的同時(shí)，增加電制動(dòng)工況下的能量回饋。長(zhǎng)沙地鐵1 號(hào)線(xiàn)永磁牽引系統(tǒng)的應(yīng)用，經(jīng)第三方評(píng)估，相比異步牽引系統(tǒng)綜合節(jié)能接近30%。

下一代功率半導(dǎo)體SiC 器件以其高耐壓、高頻、耐高溫等特性，驅(qū)動(dòng)了牽引變流器高效、高功率密度和輕量化。在實(shí)現(xiàn)牽引效率的進(jìn)一步提升的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)進(jìn)一步的輕量化，促進(jìn)城軌列車(chē)的節(jié)能降耗。

2.3 高效輔助系統(tǒng)

列車(chē)輔助系統(tǒng)主要是給空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、壓縮機(jī)等設(shè)備提供AC380V 電源，同時(shí)對(duì)列車(chē)照明、廣播、PIS 及車(chē)載控制系統(tǒng)提供DC110V 電壓。列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)，輔助系統(tǒng)為長(zhǎng)時(shí)工作制，輔助逆變器的效率，直接制約了列車(chē)輔助系統(tǒng)的能耗升級(jí)。

工頻兩電平輔助逆變器采用DC/AC 直接逆變技術(shù)，輸出端通過(guò)工頻變壓器隔離，得到穩(wěn)定的三相交流輸出電源。技術(shù)成熟可靠，但整機(jī)效率較低（一般在90%左右），長(zhǎng)時(shí)間工作下，熱損耗的能量較高。高頻輔助逆變器的開(kāi)發(fā)，采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、多電平技術(shù)，提高整機(jī)效率（一般大于93%），降低輔助系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的熱損耗，減少電能的消耗。同時(shí)，高頻輔助逆變器的技術(shù)，大幅度降低了磁性元件的體積重量，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的輕量化、小型化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)列車(chē)的輕量化。

2.4 最佳控車(chē)策略

城軌列車(chē)信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)ATO 模式控車(chē)，代替了司機(jī)人工駕駛模式。為了響應(yīng)綠色低碳發(fā)展，通過(guò)列車(chē)自動(dòng)駕駛（ATO）技術(shù)和自動(dòng)監(jiān)控（ATS）技術(shù)，研究列車(chē)節(jié)能調(diào)度控制策略，根據(jù)線(xiàn)路條件，自動(dòng)跟隨最佳節(jié)能調(diào)度運(yùn)營(yíng)。為進(jìn)一步探索最佳控車(chē)策略，聯(lián)合信號(hào)、車(chē)輛、TCMS、牽引等多系統(tǒng)協(xié)作。根據(jù)線(xiàn)路條件、列車(chē)實(shí)時(shí)響應(yīng)特性及牽引系統(tǒng)效率特性，選擇更合適的加減速控制，并最大限度地利用列車(chē)惰行。

在工程應(yīng)用階段，基于實(shí)際線(xiàn)路，對(duì)列車(chē)采取最小運(yùn)行時(shí)間曲線(xiàn)、惰行運(yùn)行曲線(xiàn)、節(jié)能運(yùn)行曲線(xiàn)等策略進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)比列車(chē)的能耗特征，在滿(mǎn)足安全與精準(zhǔn)對(duì)標(biāo)的前提下，選擇最佳的控車(chē)策略，充分利用列車(chē)惰性節(jié)能（見(jiàn)圖4）。

圖4 最優(yōu)控車(chē)模式關(guān)聯(lián)系統(tǒng)圖

對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線(xiàn)路進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比列車(chē)在不同控車(chē)模式下，列車(chē)的牽引能耗。以列車(chē)旅行速度為目標(biāo)，根據(jù)線(xiàn)路條件采取節(jié)能運(yùn)行模式時(shí)，可以更大限度地利用列車(chē)惰行，從而降低列車(chē)的牽引能耗（見(jiàn)圖5）。

圖5 不同控車(chē)模式下?tīng)恳芎姆抡嬗?jì)算

在相同線(xiàn)路、相同載荷、相同網(wǎng)壓下，采用快速運(yùn)行模式和節(jié)能運(yùn)行模式對(duì)列車(chē)進(jìn)行線(xiàn)路仿真計(jì)算。在不考慮電制動(dòng)能量回饋下，節(jié)能運(yùn)行模式可以充分發(fā)揮列車(chē)惰性節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，相比快速運(yùn)行模式下的牽引能耗有明顯降低，如圖5 所示，以此次選擇的線(xiàn)路條件和列車(chē)特性為參考，列車(chē)牽引能耗下降接近一半。基于列車(chē)牽引制動(dòng)特性和運(yùn)營(yíng)時(shí)刻圖，通過(guò)信號(hào)調(diào)整列車(chē)運(yùn)行曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2.5 其他技術(shù)研究

城市軌道交通的低碳節(jié)能發(fā)展，還可考慮節(jié)能坡的設(shè)計(jì)，將列車(chē)進(jìn)出站區(qū)間段設(shè)計(jì)為上坡進(jìn)站，下坡出站，利用列車(chē)重力勢(shì)能實(shí)現(xiàn)列車(chē)的減速、加速。在既有采用二極管整流供電系統(tǒng)的線(xiàn)路上，在配置能量回饋裝置的同時(shí)，合理考慮儲(chǔ)能裝置的接入，可有效實(shí)現(xiàn)列車(chē)能量的削谷調(diào)峰，實(shí)現(xiàn)列車(chē)瞬時(shí)大級(jí)位制動(dòng)時(shí)的能量全回收。隨著新能源的成熟應(yīng)用，城市軌道交通作為公共交通設(shè)備，在城市中具有豐富的土地資源，特別是車(chē)輛段和高架橋車(chē)站，可引入光伏發(fā)電作為車(chē)站用電，充分利用光照條件，引入綠色清潔能源，降低行業(yè)對(duì)電網(wǎng)電能的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

探索城市軌道交通的低碳節(jié)能發(fā)展技術(shù)方案，能有效促進(jìn)行業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展。本文立足城市軌道交通，針對(duì)供電、信號(hào)、車(chē)輛、土建等多專(zhuān)業(yè)方向，提出低碳節(jié)能發(fā)展的技術(shù)方案和路線(xiàn)。同時(shí)在雙碳背景下，基于各系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為城市軌道交通項(xiàng)目初期頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，推動(dòng)行業(yè)的低碳發(fā)展。