地鐵車輛節(jié)能設(shè)計(jì)方案

劉川++羅敏

摘 要：地鐵列車的能耗主要是列車通過受電弓或集電靴從接觸網(wǎng)或接觸軌獲得并消耗掉的電能，為列車牽引能耗和列車輔助能耗兩部分之和。因此，從降低列車牽引能耗和降低列車輔助能耗兩方面進(jìn)行考慮，通過對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵車輛項(xiàng)目的研究，分析并總結(jié)地鐵車輛在各系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用并推薦的前沿節(jié)能技術(shù)。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；輕量化；車體；輔助能耗；永磁直驅(qū)

中圖分類號(hào)：TE08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、概述

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加，這就對(duì)各行業(yè)提出了更高的要求，尤其是在系統(tǒng)節(jié)能的方案設(shè)計(jì)選擇上尤為重要，同樣地鐵車輛的節(jié)能設(shè)計(jì)也顯得尤為突出。

地鐵列車的能耗主要是列車通過受電弓或集電靴兩類方式從接觸網(wǎng)或接觸軌上獲得并消耗電能，列車能耗包括了列車牽引能耗和列車輔助能耗兩部分之和。因此，列車的節(jié)能就要能夠從降低列車牽引能耗和降低列車輔助能耗兩方面入手進(jìn)行考慮，通過對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵車輛項(xiàng)目的研究，分析并總結(jié)出地鐵車輛在各方面進(jìn)行的節(jié)能設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用并推薦的前沿節(jié)能技術(shù)。

二、降低列車牽引能耗

1.提高牽引系統(tǒng)效率

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)采用VVVF交流傳動(dòng)技術(shù)。牽引逆變器效率不宜低于0.97，牽引電機(jī)效率不宜低于0.9，齒輪傳動(dòng)效率不宜低于0.97。目前交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng)的效率已經(jīng)達(dá)到該項(xiàng)技術(shù)的較高水平，要提高牽引系統(tǒng)的效率，可采用永磁直驅(qū)同步牽引電機(jī)（圖1）加碳化硅變流器技術(shù)。使用永磁直驅(qū)同步牽引電機(jī)后，減少了齒輪箱，提高了效率；使用碳化硅變流器，可使逆變器輸出近似完美的正弦波電流來控制電機(jī)，從而減少電機(jī)的銅損和鐵損，進(jìn)一步提高效率。使用碳化硅變流器，在降低電機(jī)銅損和鐵損的同時(shí)，大大降低了電機(jī)的發(fā)熱，使得永磁直驅(qū)電機(jī)可從水冷轉(zhuǎn)變?yōu)樽咝酗L(fēng)冷，可減少地鐵底架的水冷箱及水冷泵，減少整車自重量，也減少能耗。

2.制動(dòng)過程中的能量利用

當(dāng)前國(guó)內(nèi)所采用的地鐵列車普遍具備了電制動(dòng)功能，常用制動(dòng)情況下電制動(dòng)優(yōu)先，電制動(dòng)時(shí)優(yōu)先采用再生制動(dòng)。為了減少空氣制動(dòng)系統(tǒng)閘瓦的磨耗，建議在AW0-AW3載荷范圍內(nèi)，電制動(dòng)的起始速度應(yīng)為80km/h，電制動(dòng)的結(jié)束速度應(yīng)為3km/h～0km/h，即實(shí)現(xiàn)整個(gè)速度范圍內(nèi)的全電制動(dòng)。

電制動(dòng)時(shí)優(yōu)先采用再生制動(dòng)，當(dāng)再生能量不能被電網(wǎng)吸收時(shí)會(huì)施加電阻制動(dòng)。列車再生制動(dòng)時(shí)，電流會(huì)反饋回電網(wǎng)，被鄰近的列車吸收用于牽引；當(dāng)相鄰列車吸收的電能小于再生制動(dòng)的電能時(shí)，列車就會(huì)通過制動(dòng)電阻將多余的電能消耗掉。因此，電制動(dòng)過程中的節(jié)能在于盡量多的吸收再生制動(dòng)的能量，這與在同一線路上的行車組織有關(guān)聯(lián)；同時(shí)將原制動(dòng)電阻損耗的能量利用起來，安裝地面再生制動(dòng)吸收裝置。下面簡(jiǎn)單介紹國(guó)內(nèi)的幾種能量吸收方案。

（1）地面再生制動(dòng)吸收裝置

地面再生制動(dòng)吸收裝置分類：電阻能耗型、電容儲(chǔ)能型、電阻+逆變器回饋型。

在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用案例：

電阻消耗型能量吸收裝置：廣州4號(hào)線、天津1號(hào)線、重慶輕軌等項(xiàng)目。

電容或飛輪儲(chǔ)能型能量吸收裝置：北京5號(hào)線等項(xiàng)目。

電阻+逆變器回饋型能量吸收裝置：鄭州1號(hào)線等項(xiàng)目。

（a）電阻能耗型地面再生制動(dòng)吸收裝置

如圖1和圖2所示：吸收裝置控制系統(tǒng)采集到直流母線電壓及電流信號(hào)及整流變壓器一次側(cè)的交流電壓信號(hào)，綜合判斷列車牽引、制動(dòng)情況，吸收裝置根據(jù)判斷來確定斬波器的導(dǎo)通比和吸收支路的投入數(shù)量，控制線網(wǎng)電壓維持在某一設(shè)定范圍之內(nèi)，確保車輛的安全運(yùn)行。4個(gè)獨(dú)立的吸收電阻支路，每個(gè)支路由IGBT斬波器與吸收電阻組成，構(gòu)成四相不重恒壓吸收控制系統(tǒng)。

（b）電阻+逆變器回饋型地面再生制動(dòng)吸收裝置

如圖3所示：當(dāng)電阻+逆變混合型制動(dòng)能量吸收裝置啟動(dòng)。逆變器率先投入，將再生電能逆變成三相交流電并饋入車站400 V 配電網(wǎng)，給AC400 V負(fù)載使用。當(dāng)列車制動(dòng)能量較大，再生能量超出逆變器容量時(shí)（表現(xiàn)為線網(wǎng)電壓升高至某一限值）電阻投入，與逆變器共同吸收再生能量。當(dāng)再生能量下降至逆變器吸收范圍內(nèi)時(shí)（表現(xiàn)為線網(wǎng)電壓下降到某一限值）電阻退出，仍由逆變器獨(dú)自吸收再生能量。

（c）電容儲(chǔ)能型地面再生制動(dòng)吸收裝置

采用IGBT逆變器，將列車的再制動(dòng)能量吸收到電容或飛輪電機(jī)中，當(dāng)供電區(qū)有其他車牽引時(shí)，裝置將儲(chǔ)存的電能釋放并進(jìn)行再利用。

對(duì)于以上3種地面能量吸收方案，個(gè)人的認(rèn)識(shí)為：

（1）發(fā)車密度小則制動(dòng)電阻容量需求大，間隔大于6min時(shí)，再生制動(dòng)能量被其他列車吸收的概率幾乎為零。

（2）不同線路區(qū)間，列車運(yùn)行方式及線路特征不同，再生制動(dòng)能量回饋值差異很大，因此各變電站內(nèi)地面再生制動(dòng)能量吸收裝置設(shè)置應(yīng)根據(jù)列車在該區(qū)段的運(yùn)行特性分別進(jìn)行考慮。

（3）能量吸收裝置控制系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的判斷，具有完善的保護(hù)措施，如過壓、過流、過熱、短路保護(hù)等。

（4）具有遠(yuǎn)程與本地監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能量吸收裝置的工作狀態(tài)。

（5）地面能量吸收裝置的安裝方式、散熱問題等需要慎重考慮。

3.輕量化節(jié)能

車輛的輕量化設(shè)計(jì)，將直接降低牽引能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（1）輕量化的車體

在滿足車體靜強(qiáng)度、碰撞及疲勞要求的情況下，目前國(guó)內(nèi)的鋁合金車體重量已經(jīng)做到Tc車6.5t，M1和M2車6.3t，車輛AW0狀態(tài)下重量為：Tc車29.8t、M1車31.3、M2車31.7t。這個(gè)重量比地鐵招標(biāo)模板規(guī)定的Tc車33t、M車35t輕很多。

若按照50%的電制動(dòng)能量反饋被使用情況，在AW2狀態(tài)下，使用輕量化列車的一條線路一年能夠節(jié)省約500多萬千瓦時(shí)電量，帶來非?？捎^的電能節(jié)省。

（2）部件的輕量化設(shè)計(jì)

采用稀土耐蝕光亮鋁合金材質(zhì)的鋁合金扶手，在滿足乘客抓扶和沖擊工況的前提下，一輛車的鋁合金扶手比不銹鋼扶手輕約100kg。采用新型非鋁合金及鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的風(fēng)道和鋁蜂窩地板，也能帶來每輛車減輕約200kg的重量。

三、降低列車輔助能耗

1.空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能

對(duì)于需要使用客室座椅下電加熱的城市，建議使用熱泵空調(diào)，熱泵空調(diào)機(jī)組由于采用逆卡諾循環(huán)，通過四通換向閥將空調(diào)系統(tǒng)的制冷循環(huán)轉(zhuǎn)換成制熱循環(huán)，熱泵空調(diào)機(jī)組的能效比可以達(dá)到2.4以上；而電加熱由于采用電阻絲的方式，通過電加熱絲將電能轉(zhuǎn)化成熱能輸出。由于電加熱絲屬于物理制熱轉(zhuǎn)化，效率最大能達(dá)到0.9。

2.在提高列車自身的隔熱、隔音性能方面可以采用如下設(shè)計(jì)：

（1）在車體內(nèi)表面，車頂、側(cè)墻、端墻上粘貼性能優(yōu)良的防寒材。

（2）車門門頁采用鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

（3）車窗和車門玻璃均采用雙層中空結(jié)構(gòu)。

（4）貫通道棚布采用雙層結(jié)構(gòu)，提高其隔熱隔音性能。

（5）地板采用5層夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)貼防寒材，提高其隔熱隔音效果。

四、新技術(shù)推薦

永磁直驅(qū)地鐵車輛應(yīng)是地鐵發(fā)展的一個(gè)方向。

單個(gè)異步系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架重量與單個(gè)永磁直驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架重量的對(duì)比，拖車轉(zhuǎn)向架重量可減重0.5t，動(dòng)車轉(zhuǎn)向架重量可減重0.4t。從這組數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)向架的減重為每個(gè)拖車減重1t，每個(gè)動(dòng)車減重0.8t，如整車為4動(dòng)2拖的6編組車輛，則整列車可減重5.2t，又能夠降低牽引能耗，節(jié)省電能。

結(jié)論

通過降低牽引能耗、減少輔助能耗能夠?yàn)榈罔F車輛帶來非?？捎^的節(jié)能，隨著科技的發(fā)展，預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)以后會(huì)在地面能量吸收及永磁直驅(qū)車輛方面進(jìn)行更多的嘗試，進(jìn)一步降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

參考文獻(xiàn)

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