論新一代牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

肖俊飛

【摘??要】近年來我國城市軌道交通建設(shè)如火如荼、發(fā)展迅速，牽引供電系統(tǒng)為軌道交通能源系統(tǒng)的核心部位，其性能與效率直接影響列車牽引功率的發(fā)揮和牽引傳動控制系統(tǒng)的性能。為了節(jié)約軌道交通的能源消耗并提高交通運(yùn)輸效率，牽引供電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)。本文簡要梳理牽引供電系統(tǒng)，尤其是其在城市軌道領(lǐng)域的發(fā)展歷程以及發(fā)展方向，對牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入討論。

【關(guān)鍵詞】軌道交通;牽引供電系統(tǒng);脈沖寬度調(diào)制;節(jié)能減排

一、軌道交通牽引供電系統(tǒng)概述

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，越來越多的城市居民為城市的交通設(shè)施帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在這一背景下包括地鐵和輕軌的城市軌道交通成為大型城市解決公共交通問題的重要手段。在2019年我國已有40多個(gè)城市開通了軌道交通，總運(yùn)行里程約6500公里，然而便利的交通是建立在巨大的能源消耗基礎(chǔ)上的，僅北京市2017年地鐵用電量就達(dá)13.99億度。城市軌道交通供電系統(tǒng)主要由外部電源、變電所、牽引供電系統(tǒng)和動力照明供電系統(tǒng)等組成，其中電力牽引供電系統(tǒng)指從外部電源系統(tǒng)接受電能后通過變壓、變相或換流的方式向電力機(jī)車負(fù)載提供所需電流制式的電能，然后進(jìn)行電力傳輸、儲存的完整系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所和牽引網(wǎng)（接觸網(wǎng)）組成，牽引變電所分為直流牽引變電所和交流牽引變電所兩類，包括整流變壓器和整流器兩部分，是轉(zhuǎn)換交流電能為機(jī)車可用的直流電的中心環(huán)節(jié)，其任務(wù)不僅是將電力系統(tǒng)送來的高壓電轉(zhuǎn)化為電力機(jī)車所需的電壓，而且還通過采用不同形式的變壓器及其結(jié)線，將電力機(jī)車的單相負(fù)荷對電力系統(tǒng)的不良影響降低到最小。牽引網(wǎng)則是架設(shè)在軌道上為電力機(jī)車供電的輸電線路。供電系統(tǒng)除了為軌道車輛提供動力外，還承擔(dān)著照明、溫控、自動扶梯等輔助設(shè)備的正常運(yùn)行，是城市軌道交通正常穩(wěn)定運(yùn)行的能源大動脈。

我國的城市軌道交通正處于黃金發(fā)展期，迫切需要牽引供電系統(tǒng)的改革升級，同時(shí)巨大的需求也推動著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

二、目前城市軌道牽引供電系統(tǒng)存在的缺陷

2.1能源浪費(fèi)問題

牽引供電系統(tǒng)在使用大量能源的同時(shí)也會浪費(fèi)大量電能，其電能的浪費(fèi)一方面是電能在變電所和牽引網(wǎng)傳輸過程中產(chǎn)生的浪費(fèi)，由于牽引變電所供電距離較短，增加了線路牽引變電所數(shù)量和工程建設(shè)成本。另一方面是由于軌道交通自身獨(dú)特的運(yùn)行方式造成的，眾所周知城市軌道與以往鐵路運(yùn)輸有很大不同，由于運(yùn)動過程中相鄰兩個(gè)站臺距離較近，一般只有1～2?km，列車運(yùn)行密度大并且運(yùn)行速度較高，牽引負(fù)荷變動比較大，啟動和制動都比較頻繁。列車大部分牽引能耗都不是用來克服基本阻力的，制動時(shí)不能像火車一樣通過慣性緩慢停止，而是主要采用電制動和空氣制動兩種方式停止，當(dāng)列車需要停止時(shí)會首先利用電制動使列車運(yùn)行速度降低，速度降到一定范圍后會切除電制動而采用空氣制動。所謂電制動即電阻制動，是指原來驅(qū)動列車行駛的牽引電動機(jī)會轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，利用列車的慣性由輪對帶動電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩消耗列車的動能，達(dá)到減速的效果。而電機(jī)發(fā)出的電流通過專門設(shè)置的電阻器，采用通風(fēng)散熱將熱量消散于大氣中，在這過程中電能轉(zhuǎn)化為動能再轉(zhuǎn)換為電能，很多能量會以熱能的形式傳遞到空氣中，造成大量的能源浪費(fèi)。

2.2?傳統(tǒng)整流變壓器技術(shù)缺陷

由于我國早期的鐵線路運(yùn)量較低，主要采用不可控整流電路的牽引整流變壓器，這種傳統(tǒng)的牽引整流變壓器無法回收列車制動能量，造成能源浪費(fèi)。隨著科技與社會的發(fā)展，牽引整流變壓器正逐漸向大功率的脈沖寬度調(diào)制（Pulse?width?modulation，PWM）整流器發(fā)展，大功率?PWM?裝置不僅可以提高供電能力，還能高效地回收列車制動能量，從而節(jié)能減排，降低運(yùn)營成本。

2.3?直流牽引供電系統(tǒng)的缺陷

目前很多城市的城市軌道交通采用直流牽引供電系統(tǒng)，需要搭建直流牽引供電網(wǎng)，將城市的接觸網(wǎng)、牽引網(wǎng)與變電站連接起來，這是一種接近串聯(lián)的供電方式，一旦部分電路出現(xiàn)故障就需要立即更換別的電路保障線路的運(yùn)行;此外這種供電方式的電流保護(hù)系統(tǒng)比較松散，維護(hù)措施比較繁瑣，維護(hù)成本較高，整體效率需要提升。

三、目前新一代牽引供電系統(tǒng)的技術(shù)突破

3.1?牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)措施

無論是從保障城市正常運(yùn)行還是防止安全事故的角度，電網(wǎng)的安全防護(hù)非常重要。因此可以在牽引供電系統(tǒng)中添加供電變壓器的電流速斷保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)對軌道交通牽引供電系統(tǒng)的整體維護(hù)，保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此裝置進(jìn)行反時(shí)限過電流保護(hù)，減少了母線與饋線間出現(xiàn)故障的概率。另一方面，這保護(hù)系統(tǒng)可根據(jù)短路電流大小適度調(diào)整保護(hù)裝置的啟動時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效化安全防護(hù)，減少突發(fā)故障對供電系統(tǒng)造成的危害。

3.2電源系統(tǒng)供電方式的優(yōu)化

目前城市軌道交通的牽引供電系統(tǒng)的電源系統(tǒng)主要有集中式供電、分散式供電和混合式供電三種。其中集中式供電是指建立110?kV?的主變電所，專門為軌道交通的直流牽引變電所和降壓變電所提供交流電能;分散式供電是指由城市電網(wǎng)的區(qū)域供電系統(tǒng)直接為軌道交通電網(wǎng)的直流牽引變電所和降壓變電所提供交流電能;混合式供電是指兩種方法的結(jié)合，以集中供電方式為主，分散供電方式為輔。這三種供電方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，集中式供電統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度、自成體系，所以事故率比較低且穩(wěn)定可靠，而分散式供電則成本比較低。

3.3?再生能源利用技術(shù)

上文提到軌道交通列車運(yùn)行密度大、啟停頻繁，在制動過程中可以將動能再轉(zhuǎn)化為電能，這部分再生制動能量相當(dāng)可觀，產(chǎn)生的電能可以轉(zhuǎn)化為再生電能加以儲存利用。由此除了電制動和空氣制動外研究者們提出了再生制動，將列車制動的能量送至電力網(wǎng)絡(luò)中重新利用，如供給列車本身的輔助供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、其他相鄰列車以及車站負(fù)荷等使用，從而避免列車制動時(shí)的能量白白浪費(fèi)掉，是一種可持續(xù)的“綠色制動”方式，

3.4計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展對牽引供電系統(tǒng)優(yōu)化管理的作用

近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，研究者們可以直接在電腦上為軌道交通運(yùn)行時(shí)的牽引供電系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，仿真模擬整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，通過一些數(shù)據(jù)的計(jì)算和算法的模擬進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，在保證供電系統(tǒng)運(yùn)作質(zhì)量的同時(shí)降低運(yùn)行能耗，節(jié)約能源降低成本。例如西南交通大學(xué)肖建課題組就將以列車節(jié)能操控歸結(jié)為一非線性的時(shí)變兩點(diǎn)邊值為題，提出了列車最優(yōu)操縱的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)多列車在線路上運(yùn)行時(shí)的牽引網(wǎng)網(wǎng)壓、整流變電所負(fù)荷過程等，進(jìn)行計(jì)算模擬列車位置、電取流、用電功率等隨時(shí)間的變化關(guān)系，并給出了最優(yōu)操縱策略的簡化與實(shí)現(xiàn)方法。鄭州大學(xué)陳根永等人就以鄭州地鐵一號線為例，利用?MATLAB?軟件中的?Simulink?仿真工具箱對地鐵牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行建模，并根據(jù)線路列車的配置參數(shù)搭建城軌列車的動態(tài)模型，利用上述模型實(shí)現(xiàn)了一輛地鐵列車從啟動、牽引、惰行到制動的運(yùn)行過程完整仿真，并分析整個(gè)運(yùn)行過程中的諧波分布情況。

結(jié)語：綜上所述，我國軌道交通的需求大、發(fā)展快，對牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能系統(tǒng)、高效運(yùn)行等方面的要求不斷增加，無數(shù)研究者和工程師都投身于此類研究中，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M等多種方式對牽引電力系統(tǒng)的保護(hù)措施、電源供電方式、再生能源利用技術(shù)、管理系統(tǒng)等多個(gè)方面對進(jìn)行了研究探索，并取得了一系列成果。

參考文獻(xiàn)：

[1]何洋陽，黃康，王濤，張葛祥.軌道交通牽引供電系統(tǒng)綜述[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，13（02）：352-361.

[2]劉煒.城市軌道交通列車運(yùn)行過程優(yōu)化及牽引供電系統(tǒng)動態(tài)仿真[D].西南交通大學(xué)，2009.

[3]金照盈.城市軌道交通供電系統(tǒng)諧波分析及對配網(wǎng)的影響研究[D].鄭州大學(xué)，2014.

（作者單位：中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司城鐵公司）