城市轨道交通能馈式供电研究范文

《电气时代》2014年第五期

一、团队主要科研项目介绍

1.低地板车牵引传动系统实际上地铁和低地板车基本的原理是一样的，无非就是系统的容量可能有些差异，但是100%的低地板车还不太一样。我们和北车合作研发的国内首列100%低地板车，完全自主研发了牵引及辅助变流系统。这个系统的变流器是装在车顶的，和地铁不太一样，地铁是装在车下的。该项目先后设计了两个版本。低地板车牵引及辅助变流系统攻克的核心关键技术包括100%低地板车无传动轴独立轮同步协调控制、高效高性能牵引电机矢量控制、车辆防滑/防空转及节能全电制动技术、全数字化高频辅助控制和并联综合供电技术、基于先进网络架构的故障诊断及实时监控技术。

2.地铁高频辅助逆变器及充电机这个辅助逆变器主要是一些辅助用电，把高压的直流电压转换成380V或者220V的交流电压，给空调等这些系统供电。充电机主要是给蓄电池充电的电力电子的变流器，其实也是为了替代进口的系统，但是我们这个是属于完全自主研发、完全国产化的一个东西，具有体积小、重量轻和效率高等特点，在广州地铁1号线完成装车试验，通过验收。目前已完成6套辅助逆变器的生产调试，即将装车试运行。

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3.直线电机牵引传动系统我们在内蒙做了一个直线电机的示范线。内蒙煤的储量是非常大的，已经超过了山西，有句话说内蒙“羊煤土气”了，这个羊主要指他的羊绒、羊毛，煤就是它的煤矿，土就是稀土，气就是天然气，这四大储量是非常丰富的。对于煤来讲，肯定存在运输的问题。煤炭挖出来之后在坑口，要运输到机车货运站的话中间有个距离，传统的方式都是用大卡车，成本是非常高的，需要雇司机、燃油这些方面，还有污染。后来有人提出来，用直线电机的方式，这就好像是自动驾驶的货车，也就是轨道列车。为什么用直线电机呢？是考虑到直线电机的爬坡能力比较强，拐弯半径这些优势，当初也是找到国家科技支撑的项目才做这个事。所以当初在那儿先建了一个1km左右的示范线来验证这个系统。这个系统的关键技术包括PWM整流器的交流输入电压不平衡控制及直流负载电流前馈控制技术，新型直线电机运输系统的牵引供电直流保护技术，采用带边端效应补偿的直线电机牵引矢量控制技术。

4.混合动力动车组牵引传动系统这是当前正在研究的一个项目，也是一个比较新的，类似于咱们小汽车的混合动力系统的概念。这种车的能源实际上有两种：第一类的混合动力实际上就是指牵引网动力和它的动力电池，车上有一个动力电池来提供电池；第二种混合动力是指牵引网加一个柴油发电机这样一种方式，主要目的是为了实现这种车的跨线运行。因为现在有的线路是电气化改造之后的，有的线路还是没有电气化的，实际上这两种线路之间要运行的话，相当于没有接触网的地方需要有其他方式来进行提供动力。还有就是应用到比方拖车的时候是没有接触网的，工程维护用的车辆，需要有其他的能源，所以有这么两种的混合动力系统，这是咱们现在正在研发的，也是和北车研发的一个项目。

5.高速铁路电力牵引传动系统的安全预测和控制这是一个纯理论研究的项目，国家高铁联合基金的一个项目。正在研究的项目主要是针对牵引系统在一些极端条件下运行的安全性做的评估、预测。

二、城市轨道交通能馈式牵引供电技术

城市轨道交通的能馈式牵引传动技术是一项国家科技支撑项目。城市轨道交通相对于其它交通方式而言，具有安全舒适、快速环保、运能大和能源消耗少的特点。但是伴随路网规模的扩大和客运量的剧增，城市轨道交通能源消耗总量也大幅增长。以北京地铁为例，2012年度总耗电量超过10亿kW•h，且以每年10%以上的速度增长。这儿给出一个城市轨道交通能耗分布图，这些能耗究竟耗到哪儿去了？大家可以看出，最多的实际是牵引传动这块，第二就是通风空调，第三可能是扶梯、电梯、照明，依次是这些。所以说节能的话，最大的潜力也是在牵引这块。目前来讲，也已经做了很多工作，比如车的轻便化，比如牵引传动系统效率的提升，但是这些方面要想提高一个百分点是非常困难的。因为它轻便化之后有一定限度，要保证车的强度、安全。现在世界上对牵引传动系统很重视，因为对能量的再次利用有非常大的挖掘空间，所以我们的工作主要是针对列车再生制动能量利用的角度来讲。这个空间究竟有多大呢？从地铁牵引传动系统启动到停止这样一个过程牵引变流的曲线可以看出，牵引电流是正向的，由列车开始启动逐渐增大，中间有一个椭型的区段是没有电流的，或者是非常小的；之后是一个制动，这个电流是反向的，制动的时候列车实际上是由电动机转换成一个发电机，它是把动能转换成电能了，相当于发出能量了。这部分能量占的比例，据咱们的一些统计，实际上占到牵引能耗的30%～40%的范围。这部分的能量怎么能很好地利用，实际上有非常大的潜力。能馈式牵引供电装置集能量回馈、牵引供电、提高供电品质和功率因数补偿等功能于一体，系统综合性价比高。它能取代制动电阻，取代一套12脉波整流机组，取代无功补偿装置，直流电压波动范围小，供电质量高，无电阻发热，减少环控系统投资和能耗，并且节省安装空间。大功率PWM整流器（又称四象限变流器）是能馈式牵引供电装置的核心，它是基于PWM脉宽调制技术的一种功率变换装置，组成上可以看成是1台逆变器加上1个三相交流电感L；在电网电压ea和交流电感L一定的情况下，通过控制Ua的大小和相位，就可以控制电流ia的大小和相位，进而控制变流器传输功率及功率因数。智能功率模块并联技术是将多个IGBT（或IGBT半桥）并联封装到一起，用同一块驱动板进行驱动，并具备了故障检测，电压、电流及温度采集等功能的大功率模块。它的特点是采用大功率模块并联，提高变流器容量，并且巧妙利用差模电感，抑制功率模块之间动态环流。然后通过多重化的串并联，提高整个系统容量，但是需要解决多重化串并联控制问题——串联均压、并联均流。外特性协调控制技术是为了实现二极管整流机组与能馈式牵引供电装置的协调工作，并达到特定的控制目标。其它关键技术还包括电流谐波抑制技术、高精度网压同步技术、智能故障诊断技术、可靠性建模及可靠性评估技术、系统集成与优化技术等。目前，能馈式牵引供电装置已经在北京地铁10号线正式投入应用。北京地铁10号线（二期）自2013年1月正式开通以来，客流量已超过北京地铁1号线，成为北京最繁忙的地铁，日客流超过150万人次。根据北京地铁10号线二期十里河和西钓鱼台的实测数据，按照每套能馈装置日平均节能1600kW•h，则一年将节约58.4万kW•h电。按照1元/kW•h计算，则直接经济效益58.4万元，2～3年可收回新增设备投资（相对于电阻能耗装置）。无功补偿的经济效益包括：减少无功补偿设备投资不小于500万元；节省专用无功补偿设备安装空间对应的土建投资1000万元。以广州地铁4号线数据为例，每天有4个小时功率因数在0.4～0.5左右，功率2000kW，有2个小时，功率因数在0.6～0.7左右，功率4000kW。根据相关计费标准：PF=0.45时电费上浮55%；PF=0.65时，电费上浮15%。取基准电价1元/kW•h，无功补偿每年可节约电费234万元。当然还有其他方面，比如提高供电品质带来的一些好处，比如减少环控设备的能耗，通风系统的能耗带来的好处，还有减少闸瓦的能耗等等。所以说备用这个装置之后，对于减少咱们的维护工作量还有维护成本，后期的运营也是非常有好处的。咱们研发的这个装备实际上有很多综合的优势，潜力是非常大的。

作者：张钢