城市轨道交通低碳节能技术研究_刘猛.pdf

运 输 经 理 世 界 城 市 轨 道 交 通 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 2 0 2 0 年 底 ， 我 国 运 营 城 市 轨 道 交 通 线 路 里 程 近 8 0 0 0 k m 。 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 D C 1 5 0 0 V 、 D C 7 5 0 两 种 [ 1 ] 。 其 中 ， D C 7 5 0 V 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 D C 1 5 0 0 V 系 统 为 例 ， 牵 引 变 电 所 从 市 电 3 5 k V 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 D C 1 5 0 0 V 。 牵 引 变 电 所 二 极 管 整 流 供 电 系 统 拓 扑 结 构 图 （ 见 图 1 ） 。 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 [ 2 ] 。 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 A T C 控 制 系 统 ， 实 现 对 列 车 的 运 行 控 制 [ 3 ] 。 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 。 图 1 二 极 管 整 流 供 电 系 统 拓 扑 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 ， D C 1 5 0 0 V 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 城 市 轨 道 交 通 低 碳 节 能 技 术 研 究 刘 猛 、 陆 远 基 （ 株 洲 中 车 时 代 电 气 股 份 有 限 公 司 ， 湖 南 株 洲 4 1 2 0 0 1 ） 摘 要 为 解 决 城 轨 行 业 的 发 展 与 节 能 降 耗 、 碳 达 峰 的 矛 盾 ， 立 足 城 市 轨 道 交 通 行 业 ， 结 合 相 关 专 业 的 现 状 和 特 点 ， 从 技 术 角 度 出 发 ， 对 供 电 制 式 、 信 号 控 车 模 式 、 车 辆 高 效 节 能 等 进 行 研 究 ， 提 出 节 能 降 耗 的 总 体 技 术 方 案 ， 助 力 城 市 轨 道 交 通 的 绿 色 低 碳 发 展 。 关 键 词 轨 道 交 通 ； 低 碳 节 能 ； 供 电 ； 牵 引 ； 信 号 中 图 分 类 号 U 2 - 9 文 献 标 识 码 A 7运 输 经 理 世 界 城 市 轨 道 交 通 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 D C 1 0 0 0 ～ D C 1 8 0 0 V ， 最 高 电 压 D C 1 9 5 0 V ， 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 。 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 [ 4 ] 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 。 图 2 双 向 变 流 供 电 系 统 拓 扑 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 D C 1 5 0 0 V 、 D C 1 8 0 0 V 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 ， D C 1 8 0 0 V 网 压 下 的 牵 引 能 耗 ， 较 D C 1 5 0 0 V 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 D C 1 8 0 0 V 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 1 0 0 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 3 0 。 下 一 代 功 率 半 导 体 S i C 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 [ 5 - 7 ] 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 A C 3 8 0 V 电 源 ， 同 时 对 列 车 照 明 、 广 播 、 P I S 及 车 载 控 制 系 统 提 供 D C 1 1 0 V 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 D C / A C 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 9 0 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 9 3 ） ， 降 低 辅 助 系 统 运 行 过 程 中 的 热 损 耗 ， 减 少 电 能 的 消 耗 [ 8 ] 。 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 A T O 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 （ A T O ） 技 术 和 自 动 监 控 （ A T S ） 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 8运 输 经 理 世 界 城 市 轨 道 交 通 节 能 调 度 运 营 [ 9 - 1 1 ] 。 为 进 一 步 探 索 最 佳 控 车 策 略 ， 联 合 信 号 、 车 辆 、 T C M S 、 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 [ 1 2 ] 。 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 [ 1 3 ] 。 3 结 语 探 索 城 市 轨 道 交 通 的 低 碳 节 能 发 展 技 术 方 案 ， 能 有 效 促 进 行 业 高 质 量 快 速 发 展 。 本 文 立 足 城 市 轨 道 交 通 ， 针 对 供 电 、 信 号 、 车 辆 、 土 建 等 多 专 业 方 向 ， 提 出 低 碳 节 能 发 展 的 技 术 方 案 和 路 线 。 同 时 在 双 碳 背 景 下 ， 基 于 各 系 统 的 关 联 关 系 ， 为 城 市 轨 道 交 通 项 目 初 期 顶 层 规 划 设 计 提 供 指 导 ， 推 动 行 业 的 低 碳 发 展 。 参 考 文 献 [ 1 ] 李 朝 鹏 . 地 铁 供 电 系 统 的 供 电 方 式 及 选 择 对 策 [ J ] . 通 信 电 源 技 术 ， 2 0 1 9 （ 8 ） 1 4 9 - 1 5 0 . [ 2 ] 张 铁 军 ， 陈 雪 . 城 轨 供 电 系 统 新 型 再 生 制 动 能 量 回 馈 系 统 [ J ] . 大 功 率 变 流 技 术 ， 2 0 1 1 （ 5 ） 3 7 - 4 0 . [ 3 ] 孟 凡 兵 . 地 铁 信 号 系 统 发 展 趋 势 及 功 能 区 别 [ J ] . 城 市 建 设 理 论 研 究 ， 2 0 1 7 （ 5 ） 2 1 7 - 2 1 8 . [ 4 ] 周 方 圆 ， 黄 艳 艳 . 地 铁 供 电 系 统 无 功 特 性 分 析 与 补 偿 设 计 [ J ] . 大 功 率 变 流 技 术 ， 2 0 1 1 （ 4 ） 9 - 1 2 . [ 5 ] 刘 良 杰 ， 陈 文 光 ， 刘 雄 . 地 铁 永 磁 同 步 牵 引 系 统 节 能 技 术 研 究 [ J ] . 机 车 电 传 动 ， 2 0 1 8 （ 6 ） 2 3 - 2 5 . [ 6 ] 曹 虎 ， 董 凯 . 节 能 技 术 在 城 市 轨 道 交 通 车 辆 牵 引 电 传 动 系 统 中 的 应 用 [ J ] . 现 代 城 市 轨 道 交 通 ， 2 0 1 9 （ 9 ） 3 6 - 4 2 . [ 7 ] 李 华 ， 万 伟 伟 ， 唐 雄 辉 . S i C 器 件 在 城 轨 车 辆 牵 引 系 统 上 的 应 用 研 究 [ J ] . 机 车 电 传 动 ， 2 0 2 0 （ 5 ） 4 5 - 4 8 . [ 8 ] 赵 清 良 ， 饶 东 杰 ， 易 滔 . 标 准 地 铁 列 车 辅 助 供 电 系 统 与 产 品 平 台 [ J ] . 电 力 机 车 与 城 轨 车 辆 ， 2 0 2 1 （ 5 ） 2 3 - 3 0 . [ 9 ] 宿 帅 ， 唐 涛 . 城 市 轨 道 交 通 A T O 的 节 能 优 化 研 究 [ J ] . 铁 道 学 报 ， 2 0 1 4 （ 1 2 ） 5 0 - 5 5 . [ 1 0 ] 张 冲 ， 王 斌 . 列 车 牵 引 节 能 技 术 研 究 [ J ] . 现 代 城 市 轨 道 交 通 ， 2 0 2 1 （ 6 ） 1 3 - 1 8 . [ 1 1 ] 龙 广 钱 ， 尹 逊 政 . 城 市 轨 道 交 通 列 车 节 能 控 制 策 略 研 究 [ J ] . 计 算 机 应 用 ， 2 0 1 8 （ 7 ） 9 0 - 9 4 . [ 1 2 ] 陈 富 安 . 地 铁 节 能 坡 设 计 研 究 [ J ] . 铁 道 工 程 学 报 ， 2 0 1 3 （ 8 ） 1 0 4 - 1 0 6 . [ 1 3 ] 任 虔 英 . 国 外 地 铁 节 能 新 技 术 [ J ] . 2 0 1 5 年 电 网 节 能 与 电 能 质 量 论 文 集 ， 2 0 1 5 6 4 - 6 5 . 作 者 简 介 刘 猛 （ 1 9 8 9 - ） ， 男 ， 汉 族 ， 湖 南 岳 阳 人 ， 本 科 ， 工 程 师 ， 从 事 地 铁 车 辆 电 气 牵 引 系 统 开 发 及 系 统 集 成 技 术 研 究 工 作 9