地鐵列車節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究

吳彩秀，李紅佗，莊舜雄

（深圳地鐵運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司 ，廣東深圳 518040）

1 引言

地鐵是大容量公共交通基礎(chǔ)設(shè)施，是城市引導(dǎo)承載綠色低碳出行的骨干交通方式。隨著近幾年中國(guó)城市軌道交通行業(yè)迅猛發(fā)展，截至2022年6月，國(guó)內(nèi)（不含港澳臺(tái)）共有51個(gè)城市開通運(yùn)營(yíng)277條城市軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)里程9 067 km。深圳地鐵全線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)388 km（不含港鐵運(yùn)營(yíng)線路和有軌電車），日均客流545 萬人次/日，單日全線網(wǎng)總客運(yùn)量最高達(dá)到772萬人次[2]。預(yù)計(jì)在2022年年底開通新線后，深圳地鐵全線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到546 km。

隨著深圳地鐵線網(wǎng)不斷擴(kuò)展及客流不斷增長(zhǎng)，地鐵列車牽引能耗日漸增大，2021年全年地鐵總能耗約16×108kW·h，其中牽引能耗約8.3×108kW·h，占比高達(dá)52%。開展節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用與研究對(duì)“雙碳”戰(zhàn)略下的節(jié)能減排具有重要意義。因此，綠色低碳已逐漸成為城市軌道交通行業(yè)面臨的歷史性任務(wù)，也是城市軌道交通發(fā)展的重大戰(zhàn)略。地鐵車輛作為城市軌道交通中的重要組成部分，綠色、低碳、節(jié)能必然會(huì)成為未來的發(fā)展方向。

2 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

深圳地鐵在運(yùn)營(yíng)開通伊始，對(duì)照明燈具[3]、空調(diào)[4]及輔助逆變器[5]等功耗較高的設(shè)備，依據(jù)性能更優(yōu)、能耗更低及全壽命周期成本更低的基本理念，通過市場(chǎng)調(diào)研及自主創(chuàng)新等方式拓展節(jié)能技術(shù)應(yīng)用。經(jīng)過研究試用，目前已實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管（LED）照明燈具、變頻空調(diào)、無觸點(diǎn)邏輯控制單元（LCU）等節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用。

由于地鐵運(yùn)營(yíng)客流潮汐變化特征明顯，碳化硅、稀土永磁材料制造成本隨著制造技術(shù)成熟也在逐年下降，未來節(jié)能方向?qū)⒅饕杏诹熊囘\(yùn)營(yíng)編組方式優(yōu)化及新材料應(yīng)用方面，本文對(duì)深圳地鐵目前試點(diǎn)開展的全碳化硅牽引逆變器，永磁同步電機(jī)及正在探索的運(yùn)營(yíng)模式調(diào)整思路進(jìn)行分析研究。

3 全碳化硅牽引逆變器

3.1 全碳化硅開關(guān)器件技術(shù)特點(diǎn)

地鐵列車牽引逆變器為列車運(yùn)行提供動(dòng)力，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是牽引逆變器的核心器件，傳統(tǒng)IGBT芯片采用硅材料制造，硅基IGBT牽引系統(tǒng)存在開關(guān)頻率較低（500 Hz）、功率密度較低、體積相對(duì)較大等不足，并面臨重量相對(duì)較重、電機(jī)軸電壓高、電機(jī)溫升高及運(yùn)行噪聲大等問題，硅基IGBT器件開發(fā)已經(jīng)接近極限。

全碳化硅（SiC）器件與傳統(tǒng)硅基（Si）器件相比，具備高頻低損、高功率密度以及高允許結(jié)溫等技術(shù)特點(diǎn)，開關(guān)頻率由500 Hz提升至2 000 Hz，較硅基IGBT器件提升4倍；開關(guān)損耗降低10%以上；散熱性能提升約30%；重量降低15%；體積減少10%。

3.2 全碳化硅牽引逆變器實(shí)驗(yàn)

裝有國(guó)內(nèi)首臺(tái)全碳化硅牽引逆變器的A型地鐵列車在深圳地鐵1號(hào)線試運(yùn)行，截至目前，實(shí)驗(yàn)列車已安全運(yùn)行19×104km。動(dòng)態(tài)性能測(cè)試情況主要如下[6]。

（1）牽引制動(dòng)性能。在平直軌道上進(jìn)行牽引制動(dòng)性能測(cè)試，經(jīng)核算0～60 km/h起動(dòng)平均加速度為1.022 m/s2（≥1 m/s2），0～80 km/h起動(dòng)平均加速度為0.907 m/s2（≥0.9 m/s2），60～0 km/h制動(dòng)平均減速度為1.089 m/s2（≥1 m/s2），80～0 km/h制動(dòng)平均減速度為1.078 m/s2（≥1 m/s2），均滿足性能要求。

（2）軸電壓測(cè)試。列車從0速開始以最大牽引力加速至59 km/h，惰行3 s，再以最大常用制動(dòng)力減速至0 速，記錄全碳化硅及硅基系統(tǒng)的軸電壓數(shù)據(jù)，通過分析全碳化硅系統(tǒng)軸電壓平均降低約12.7 V，測(cè)試情況如圖1所示。

圖1 軸承電壓峰值測(cè)量結(jié)果

（3）車廂內(nèi)噪聲。將噪聲探頭布置于站立乘客可到達(dá)的區(qū)域中心，距離列車地板1.5 m高的位置，切除背景噪聲并啟動(dòng)硅基與全碳化硅牽引逆變器。通過測(cè)試各頻程的噪聲，運(yùn)用計(jì)權(quán)算法，得出噪聲平均下降約5 dB（A），測(cè)試情況如圖2所示。

圖2 噪聲測(cè)試

（4）變流器模塊及電機(jī)溫升。在走行風(fēng)冷散熱片兩側(cè)及中間布置15個(gè)熱電偶，于車廂內(nèi)使用無線數(shù)據(jù)記錄儀，記錄散熱器升溫情況，測(cè)試全碳化硅模塊散熱器溫升約14.05 ℃，硅基模塊散熱器溫升約 22.39 ℃。通過正線進(jìn)行3 h最高速度25 km/h的溫升試驗(yàn)，分別記錄硅基IGBT器件牽引系統(tǒng)電機(jī)鐵芯溫度以及全碳化硅器件牽引系統(tǒng)電機(jī)鐵芯溫度，數(shù)據(jù)表明，全碳化硅器件牽引逆變器電機(jī)溫度接近穩(wěn)定為80 ℃，溫升為50 K，硅基IGBT器件牽引逆變器電機(jī)溫度達(dá)到121 ℃，溫升為91 K，全碳化硅牽引逆變器電機(jī)溫升較硅基IGBT器件牽引逆變器溫升低40 K。測(cè)試情況如圖3所示。

圖3 電機(jī)溫升測(cè)試

（5）能耗測(cè)試。通過能耗記錄儀分別測(cè)量硅基IGBT器件和全碳化硅器件牽引系統(tǒng)牽引能耗、再生能耗以及總能耗，數(shù)據(jù)表明，當(dāng)車速不高于35 km/h時(shí)，全碳化硅器件工作在高頻模式，開關(guān)頻率為2 kHz，牽引逆變器節(jié)能49.4%；當(dāng)車速高于35 km/h時(shí)，全碳化硅器件進(jìn)入分段調(diào)試模式，開關(guān)頻率最低到200 Hz，牽引逆變器節(jié)能15.24%。測(cè)試情況如表1所示。經(jīng)測(cè)算，全碳化硅牽引逆變器較硅基IGBT牽引逆變器，在自動(dòng)列車運(yùn)行模式（ATO）空載情況下能耗降低15.2%、在低速段（速度不高于35 km/h）空載情況下能耗降低49.4%、電機(jī)溫升降低40 K以上、噪聲下降5 dB（A）、電機(jī)軸電壓降低12.7 V。

表1 正線能耗測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)證明，采用全碳化硅材料作為功率器件的牽引系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能耗降低，同時(shí)牽引電機(jī)軸電壓的降低亦可改善因軸承軸電壓引起的電腐蝕問題，延長(zhǎng)軸承使用壽命，達(dá)到降低碳排放及運(yùn)營(yíng)成本的目的。

4 永磁同步電機(jī)應(yīng)用

在深圳地鐵10號(hào)線選取10列車，安裝釹鐵硼永磁材料的永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)，跟蹤比較與三相異步電機(jī)牽引系統(tǒng)列車的耗能，并分析節(jié)能效果。

永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)采用5動(dòng)3拖，共有5臺(tái)牽引逆變器及20臺(tái)永磁同步電機(jī)，三相異步電機(jī)牽引系統(tǒng)6動(dòng)2拖，共有6臺(tái)牽引逆變器及24臺(tái)三相異步電機(jī)。故永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)列車較三相異步電機(jī)牽引系統(tǒng)列車減少1臺(tái)牽引逆變器及4臺(tái)電機(jī)[7]。經(jīng)測(cè)算，5動(dòng)3 拖的永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)列車（牽引逆變器箱體+牽引電機(jī)）總重量約16.7 t，6動(dòng)2拖三相異步電機(jī)牽引系統(tǒng)列車總重量約19.9 t，減重約16%。5動(dòng)3拖永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)對(duì)于列車減重和能耗降低具有優(yōu)勢(shì)。

4.1 永磁同步電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

永磁同步電機(jī)采用永磁材料嵌入電機(jī)轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子存在初始磁場(chǎng)。在靜止?fàn)顟B(tài)下，每臺(tái)電機(jī)的起始磁場(chǎng)方向不一致。定子結(jié)構(gòu)與三相異步電機(jī)一致。因永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子無需勵(lì)磁，即定子線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)直接帶動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，與三相異步電機(jī)相比，減少銅線圈使用及熱損耗，其高效區(qū)（效率不低于90%）較三相異步電機(jī)提升25%，額定效率提升5%。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子如圖4所示。

圖4 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子采用全封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無散熱通風(fēng)孔，使其噪聲更低。經(jīng)地面測(cè)試，永磁同步電機(jī)在0～1 900 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，比三相異步電機(jī)噪聲降低約5.5 dB（A），在1 900～4 000 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，比三相異步電機(jī)噪聲降低約0.1 dB（A）。永磁同步電機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果如圖5所示[7]。

圖5 永磁同步電機(jī)與三相異步電機(jī)噪聲對(duì)比

4.2 永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)因每臺(tái)永磁同步電機(jī)靜態(tài)下轉(zhuǎn)子初始磁場(chǎng)差異，所以牽引逆變器輸出側(cè)必須采用軸控方式；同時(shí)在牽引逆變器與每臺(tái)永磁同步電機(jī)之間增加隔離接觸器，用以防止永磁同步電機(jī)短路后的反電勢(shì)對(duì)牽引逆變器或電網(wǎng)電壓沖擊。永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)應(yīng)用能耗對(duì)比

通過每月對(duì)列車能耗數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計(jì)分析，2022年1月至4月，三相異步電機(jī)牽引系統(tǒng)列車平均牽引能耗約7.80 kW · h/km，單節(jié)動(dòng)車平均牽引能耗約 1.30 kW · h/km。永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)列車平均牽引能耗約4.61 kW · h/km，單節(jié)動(dòng)車平均牽引能耗約0.92 kW · h/km，單節(jié)動(dòng)車節(jié)能約29%。數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示。

圖7 永磁同步電機(jī)與三相異步電機(jī)牽引節(jié)能數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)證明，在深圳地鐵10號(hào)線8編組應(yīng)用中，永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)列車因使用永磁轉(zhuǎn)子代替三相繞組轉(zhuǎn)子，具有重量降低、效率增高的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)對(duì)比，其在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于三相異步電機(jī)牽引系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能減排及降低運(yùn)營(yíng)成本的目的。

5 其他節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

5.1 新材料技術(shù)應(yīng)用

除全碳化硅牽引系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)外，深圳地鐵在其他部件選型用材方面研究質(zhì)量更輕、性能更優(yōu)且更環(huán)保的材料設(shè)備，進(jìn)一步降低車輛整體質(zhì)量[9]。如列車鋁合金空調(diào)機(jī)組，一臺(tái)機(jī)組約重200 kg，相比較不銹鋼材質(zhì)310 kg可降低110 kg，整列車可降低1.32 t（6編組）或1.76 t（8編組），并計(jì)劃在深圳地鐵11號(hào)線120 km標(biāo)準(zhǔn)A型車進(jìn)行裝車測(cè)試。

除此之外，深圳地鐵在控制系統(tǒng)應(yīng)用無觸點(diǎn)控制單元替代傳統(tǒng)繼電器，座椅擋風(fēng)玻璃應(yīng)用聚碳酸酯代替鋼化玻璃，頂板、柜門應(yīng)用鋁蜂窩鋁板代替實(shí)心鋁板等技術(shù)升級(jí)方案，以此降低整車重量，進(jìn)而降低列車運(yùn)營(yíng)耗能，達(dá)到節(jié)能降耗目標(biāo)。

5.2 列車節(jié)能運(yùn)行模式

2011年—2015年，在深圳地鐵1號(hào)線從優(yōu)化運(yùn)輸組織方面研究列車節(jié)能運(yùn)行模式。通過數(shù)據(jù)采集分析，在空載（AW0）工況下，相比最大運(yùn)行速度80 km/h，以70 km/h作為最高速度運(yùn)行可降低總牽引能耗7.6%，單程運(yùn)行時(shí)間僅增加39 s；以65 km/h作為最高速度運(yùn)行可降低總牽引能耗20.3% ，單程運(yùn)行時(shí)間增加161 s[10-11]。節(jié)能效果對(duì)比如表2所示。

表2 不同運(yùn)行速度下節(jié)能效果

2019年—2021年在深圳地鐵7號(hào)線開展試點(diǎn)研究，通過梳理早點(diǎn)頻發(fā)的車次及站點(diǎn)，優(yōu)化其列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）的運(yùn)行等級(jí)，優(yōu)化同一供電分區(qū)內(nèi)運(yùn)行的列車進(jìn)站與出站作業(yè)時(shí)間最大程度重疊方式，完成單車運(yùn)行圖、多車運(yùn)行圖技術(shù)研究及測(cè)試，結(jié)果表明，單車能耗降低1.7%，多車能耗降低5.78%[12]。

5.3 靈活編組技術(shù)方案研究

軌道交通潮汐客流特點(diǎn)顯著，存在高峰期間列車滿載率高、平峰期間列車滿載率低的特點(diǎn)，造成運(yùn)力和能耗浪費(fèi)。經(jīng)研究分析，按線路平峰占比60%計(jì)算，在同一運(yùn)行圖運(yùn)營(yíng)情況下，平峰期3編組列車代替6編組列車運(yùn)行的方式，節(jié)能效率達(dá)40%。目前深圳地鐵已將其作為新車設(shè)計(jì)研究方向，評(píng)估適合深圳地鐵的靈活編組技術(shù)方案。靈活編組運(yùn)行模式示意圖如圖8所示。

圖8 靈活編組運(yùn)行模式示意圖

除文章所述之外，從列車質(zhì)量、信號(hào)控制及運(yùn)營(yíng)模式方面，仍存在節(jié)能優(yōu)化空間，如選用質(zhì)量輕的材料或新技術(shù)方案降低整車重量，所需的牽引能耗亦可減低；信號(hào)控制方面，通過多列車牽引及制動(dòng)配合，使同個(gè)供電臂下，再生制動(dòng)電能用于其余列車的牽引電能，可減少電網(wǎng)的輸出電能；運(yùn)營(yíng)模式方面，將平峰短編組作為未來節(jié)能發(fā)展的基礎(chǔ)方向，以增加滿載率，解決長(zhǎng)編組未滿載造成電能浪費(fèi)的問題。

6 結(jié)語

針對(duì)城市軌道交通綠色、節(jié)能、低碳發(fā)展的時(shí)代背景，結(jié)合深圳地鐵實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，開展全碳化硅牽引逆變器及永磁同步電機(jī)等新技術(shù)的研究，驗(yàn)證新技術(shù)在減重、降噪及節(jié)能等方面的效果。另外在設(shè)備材料減重、ATO運(yùn)行模式優(yōu)化及運(yùn)營(yíng)編組制式上亦開展了相關(guān)研究，目前科研成果的實(shí)際落地應(yīng)用方案正在穩(wěn)步推進(jìn)。

同時(shí)，深圳地鐵在節(jié)能技術(shù)方面已推廣應(yīng)用了成效明顯的LED照明、變頻空調(diào)及高頻輔助逆變器等節(jié)能技術(shù)；為采用全碳化硅器件、永磁材料新技術(shù)的牽引逆變器及牽引電機(jī)開展科研項(xiàng)目，用以收集運(yùn)營(yíng)及節(jié)能效果數(shù)據(jù)，可作為行業(yè)節(jié)能技術(shù)發(fā)展參考。再者，列車正線運(yùn)營(yíng)節(jié)能運(yùn)行模式及靈活編組的技術(shù)方案，因受城市線路特征、運(yùn)營(yíng)列車數(shù)及客運(yùn)量等差異影響，目前仍未有統(tǒng)一的技術(shù)方案或算法得出最佳運(yùn)營(yíng)方案，未來需車輛系統(tǒng)持續(xù)與通號(hào)、隧道及供電系統(tǒng)進(jìn)行匹配，研究適合特定線路的運(yùn)維模式。