淺談地鐵車輛并網(wǎng)供電及其節(jié)能優(yōu)勢(shì)

文/ 黃海界, ，李曉龍 尹力明,3 穆廣友,

1 同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院 (200092)

2 上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司 (200245)

3 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 (200233)

一、引言

城市軌道交通能耗由牽引和動(dòng)力照明兩部分組成。地下線和高架線牽引能耗分別占總能耗的50%～60%和60%～70%；地下線和高架線動(dòng)力照明系統(tǒng)能耗占總能耗的40%～50%和30%～40%，主要為車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、自動(dòng)扶梯等設(shè)備系統(tǒng)能耗。

1.節(jié)能指導(dǎo)思想

以“打造綠色地鐵，提升網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)”為目標(biāo)，以“安全運(yùn)轉(zhuǎn)、高效運(yùn)營(yíng)、優(yōu)質(zhì)服務(wù)”為前提，構(gòu)建完善的節(jié)能工作體系，保障節(jié)能實(shí)施的系統(tǒng)性、規(guī)范性、實(shí)效性和長(zhǎng)效性，努力實(shí)現(xiàn)軌道交通節(jié)能的總體指標(biāo)。

2.城市軌道能耗指標(biāo)體系

根據(jù)城市軌道交通能耗的特點(diǎn)，軌道交通能耗指標(biāo)體系由“網(wǎng)絡(luò)級(jí)、線路級(jí)、站車級(jí)”三級(jí)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 軌道交通能耗指標(biāo)體系

網(wǎng)絡(luò)級(jí)能耗指標(biāo)是衡量整個(gè)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)能耗的指標(biāo)，由綜合能耗、牽引能耗和動(dòng)力照明能耗三個(gè)指標(biāo)組成，用以對(duì)軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以及有關(guān)主管部門(mén)對(duì)軌道交通管理機(jī)構(gòu)實(shí)施節(jié)能工作成效的評(píng)估。

線路級(jí)能耗指標(biāo)是衡量各運(yùn)營(yíng)線路能耗的指標(biāo)，用以對(duì)各軌道交通線路運(yùn)營(yíng)節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以及軌道交通管理機(jī)構(gòu)對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位實(shí)施節(jié)能工作成效的評(píng)估。

站車級(jí)能耗指標(biāo)是衡量各車站和列車能耗的指標(biāo)，由動(dòng)力照明能耗和牽引能耗二個(gè)指標(biāo)組成，用以對(duì)軌道交通每座車站和每列車輛節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位對(duì)車站班組和列車班組實(shí)施節(jié)能工作成效的評(píng)估。

3.列車能耗指標(biāo)

軌道交通車輛能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中需考慮的因素，可概括劃分如下。

(1)牽引系統(tǒng)

(2)輔助電源系統(tǒng)（主要考慮交流負(fù)載）

按照上海6號(hào)線增購(gòu)項(xiàng)目（CRC設(shè)計(jì)）的車輛功率數(shù)據(jù)為：交流負(fù)載約為233.704kVA（夏天），牽引系統(tǒng)約為1440kW，該項(xiàng)目采用的并網(wǎng)供電；按照上海5號(hào)線項(xiàng)目（Alstom設(shè)計(jì)）的車輛功率數(shù)據(jù)為：交流負(fù)載為290.816kVA，牽引系統(tǒng)約為1240kW，該項(xiàng)目采用的分區(qū)供電。

二、供電模式

為了說(shuō)明并網(wǎng)供電的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，先簡(jiǎn)單闡述下當(dāng)前關(guān)于列車輔助電源的供電模式，主要分為分區(qū)供電、環(huán)行網(wǎng)絡(luò)供電和并網(wǎng)供電等三大類。

并網(wǎng)供電：有一條貫穿全列的中壓母線，輔助供電用并網(wǎng)技術(shù)，即列車上所有的輔助電源并聯(lián)在中壓母線上同時(shí)向全列車的中壓負(fù)載供電，如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)示意

環(huán)形中壓供電網(wǎng)絡(luò)： 每個(gè)輔助電源向兩節(jié)車供電成為一個(gè)中壓?jiǎn)卧兄袎簡(jiǎn)卧⒙?lián)在一個(gè)環(huán)形的中壓母線（在任意編組情況下，該環(huán)形網(wǎng)絡(luò)貫穿全車并首尾相接）上，兩個(gè)單元間由接觸器隔離（該接觸器盡量置于輔助電源箱體內(nèi)）。當(dāng)任意輔助電源故障，通過(guò)控制接觸器閉合使鄰近的一個(gè)輔助電源向該中壓?jiǎn)卧╇?，?jiàn)圖3。

圖3 環(huán)行網(wǎng)絡(luò)供電示意

分區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)：每個(gè)輔助電源向1列車中的部分負(fù)載供電，當(dāng)任意輔助電源故障時(shí)，會(huì)有部分負(fù)載斷電情況發(fā)生。如圖4所示，該列車由兩路中壓網(wǎng)絡(luò)組成；其中每個(gè)中壓網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立地由一個(gè)輔助電源供電；為了提高空氣壓縮機(jī)的冗余能力，則由兩路中壓網(wǎng)絡(luò)供電，其他三相負(fù)載則由一路中壓網(wǎng)絡(luò)供電。

圖4 分區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)示意

三、并網(wǎng)供電

1.系統(tǒng)原理

(1)始終連接多臺(tái)SIV（輔助電源）的3相輸出線，進(jìn)行并列運(yùn)行。

(2)通過(guò)專用通信線，在SIV間進(jìn)行并列控制需要的數(shù)據(jù)通信，見(jiàn)圖5所示。

圖5 SIV通信示意

2.優(yōu)點(diǎn)

因?yàn)槭冀K連接3相輸出線，所以即使出現(xiàn)1臺(tái)SIV停止的情況，正常的SIV也能夠立刻給全部的車輛提供電源。

3.控制方式

(1)控制電壓恒定的電壓控制型的主機(jī)與進(jìn)行SIV負(fù)載分配的平均化控制電流控制型的輔機(jī)構(gòu)成。

(2)通過(guò)dq坐標(biāo)變換將主機(jī)的輸出電流分為有功電流（d軸）與無(wú)功電流（q軸），以直流量的形式檢測(cè)出，使用主機(jī)與輔機(jī)間的專用線，以10ms的傳送周期進(jìn)行通信，見(jiàn)圖6。

圖6 SIV并網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

(3)輔機(jī)以主機(jī)的輸出電流（d軸、q軸）作為指令值，進(jìn)行電流控制。

(4)主機(jī)先行啟動(dòng)，輔機(jī)檢出3相輸出線的電壓后，取電壓的同相后啟動(dòng)。

(5)主機(jī)故障時(shí)，輔機(jī)由電流控制型切換為電壓控制型，控制輸出電壓保持一定。此時(shí)，斷開(kāi)主機(jī)，輸出降低負(fù)載指令。

(6)輔機(jī)故障時(shí)，主機(jī)以電壓控制型進(jìn)行通常的控制。此時(shí)，斷開(kāi)輔機(jī)，輸出降低負(fù)載指令，見(jiàn)圖7。

圖7 SIV的并網(wǎng)控制

4.矢量控制

通過(guò)采用高性能微處理器進(jìn)行矢量控制，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行控制方式。

矢量控制，通過(guò)把SIV的三相交流輸出電壓分離到d軸與q軸進(jìn)行獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)了高應(yīng)答高精度的電壓控制，從而相對(duì)負(fù)載變動(dòng)，接觸網(wǎng)電壓變動(dòng)，能夠提供穩(wěn)定的輸出。

矢量電壓控制

把SIV輸出電壓瞬時(shí)值通過(guò)dq坐標(biāo)分離為有效成分（d軸）與無(wú)效成分（q軸），以直流量的形式檢測(cè)出，通過(guò)PI（比例積分）控制進(jìn)行與指令值一致的定電壓控制，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)的電壓檢測(cè)。

輔機(jī)，以主機(jī)的輸出電流d軸q軸為指令值，通過(guò)PI控制，進(jìn)行電流控制使輔機(jī)的輸出電流與指令值一致。

AC濾波衰減控制

相當(dāng)于以往控制的輸出電流控制的控制系，補(bǔ)償伴隨逆變器輸出電流的變動(dòng)而發(fā)生的輸出電壓變動(dòng)。

DC濾波衰減控制

控制輸出電壓抑制負(fù)載突然變化以及接觸網(wǎng)電壓突然變化等干擾時(shí)發(fā)生的過(guò)度的濾波電容器電壓的振動(dòng)現(xiàn)象。

5.節(jié)能優(yōu)勢(shì)

為了比較各種供電模式的節(jié)能優(yōu)劣，以下調(diào)查統(tǒng)計(jì)了采用并網(wǎng)供電的上海6號(hào)線二期項(xiàng)目車輛和采用分區(qū)供電的上海6號(hào)線一期項(xiàng)目車輛。

圖8 矢量控制

(1)上海6號(hào)線二期項(xiàng)目（CRC設(shè)計(jì)，并網(wǎng)供電技術(shù)）

表1 裝機(jī)功率的統(tǒng)計(jì)

夏季負(fù)載233.704kVA （考慮采用制冷系統(tǒng)）

冬季負(fù)載153.996kVA（考慮采用制暖系統(tǒng)）

表2 實(shí)際使用功率的分配

全負(fù)載工況下，每個(gè)輔助電源的實(shí)際使用功率為103.98kVA；每列車有2個(gè)輔助電源；按照RMS運(yùn)行要求，1列車每天運(yùn)行19h，則輔助總能耗約為3951.2kVA.h/列.天。

(2)上海6號(hào)線一期項(xiàng)目（Alstom設(shè)計(jì)，分區(qū)供電技術(shù)）

表3 裝機(jī)功率統(tǒng)計(jì)

表4 實(shí)際使用功率的分配

全負(fù)載工況下，每個(gè)輔助電源的實(shí)際使用功率為141.5kVA；每列車有兩個(gè)輔助電源；按照RMS運(yùn)行要求，1列車每天運(yùn)行19h；則輔助總能耗約為5377kVA.h/列.天。

(3)優(yōu)劣

作為使用在同一條線路上，同樣數(shù)量編組的列車；分區(qū)供電約需要324.4kVA的交流裝機(jī)功率，并網(wǎng)供電則只需要233.7kVA，節(jié)約了90.7kVA的裝機(jī)功率，節(jié)約比為28%。

全負(fù)載工況下，分區(qū)供電能耗約5377kVAh/列.天，并網(wǎng)供電則只需要3951.2kVAh/列.天，節(jié)約了1425.8kVAh/列.天，節(jié)約能耗比為26.5%。

其根本原因是由于分區(qū)供電考慮各類負(fù)載的惡劣工況，而并網(wǎng)供電僅僅考慮各類負(fù)載的正常工況，其惡劣工況通過(guò)并網(wǎng)控制來(lái)處理。

6.其他特點(diǎn)

(1)增強(qiáng)供電能力

由于并網(wǎng)供電是將所有三相負(fù)載并聯(lián)在一個(gè)中壓網(wǎng)絡(luò)上，列車所有輔助電源同時(shí)向該中壓網(wǎng)絡(luò)供電；一旦有輔助電源出現(xiàn)故障而不能工作時(shí)，三相負(fù)載將根據(jù)供電能力進(jìn)行降級(jí)模式運(yùn)行。分區(qū)供電模式下，一旦有輔助電源停止工作時(shí)，相應(yīng)供電的中壓網(wǎng)絡(luò)下的三相負(fù)載都將停止工作。

(2)降低生產(chǎn)成本

由于并網(wǎng)供電采用的是一路中壓網(wǎng)絡(luò)，只需要一組400V電纜，而其他無(wú)論分區(qū)供電和環(huán)行網(wǎng)絡(luò)供電，都至少需要兩組400V電纜；這樣，從材料、安裝工作量方面都較大地降低了成本。

(3)控制算法復(fù)雜

由于并網(wǎng)供電是基于采集電流并矢量化運(yùn)算來(lái)控制輔助電源啟動(dòng)的，對(duì)控制精度及可靠性要求比較高，需要很高的設(shè)計(jì)水平；而其他如分區(qū)供電則結(jié)構(gòu)單一、控制邏輯簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。

四、結(jié)論

(1)并網(wǎng)供電技術(shù)相比于其他傳統(tǒng)供電技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。

(2)并網(wǎng)供電技術(shù)的控制算法復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)能力要求比較高。

(3)隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟化發(fā)展，并網(wǎng)供電基于節(jié)能、低成本、交流負(fù)載高冗余的優(yōu)點(diǎn)，勢(shì)必將成為市場(chǎng)上的主流供電技術(shù)。