牽引供電系統(tǒng)在綠色城軌建設(shè)中關(guān)鍵問題的思考與建議

文：丁樹奎｜中國城市軌道交通協(xié)會(huì)副會(huì)長

綠色城軌建設(shè)的關(guān)鍵在節(jié)能，節(jié)能的關(guān)鍵在牽引。為貫徹落實(shí)中國城市軌道交通協(xié)會(huì)印發(fā)的《中國城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》，本文在分析能耗指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出牽引供電系統(tǒng)在綠色城軌建設(shè)中的發(fā)展機(jī)遇與牽引供電系統(tǒng)發(fā)展展望。

為貫徹落實(shí)中國城市軌道交通協(xié)會(huì)印發(fā)的《中國城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》，2022年協(xié)會(huì)持續(xù)進(jìn)行了一系列走進(jìn)企業(yè)的宣貫活動(dòng)，牽引供電系統(tǒng)成為調(diào)研活動(dòng)中熱點(diǎn)話題之一。綠色城軌建設(shè)的關(guān)鍵在節(jié)能，節(jié)能的關(guān)鍵在牽引，對此，本文提出牽引供電系統(tǒng)在綠色城軌建設(shè)中關(guān)鍵問題的思考與建議。

一、關(guān)鍵問題

在綠色城軌建設(shè)過程中，牽引供電大有作為。《綠色城軌行動(dòng)方案》的關(guān)鍵詞有三個(gè)：“聚人”“節(jié)能”“潔能”，這是協(xié)會(huì)深入分析城市軌道交通，綠色低碳方面的特點(diǎn)、關(guān)鍵提出的。因?yàn)槌擒壧贾笜?biāo)主要與能耗有關(guān)，國標(biāo)對城軌能耗的考核指標(biāo)是綜合能耗和牽引能耗，所以將節(jié)能降耗增效行動(dòng)規(guī)劃為綠色城軌行動(dòng)六大行動(dòng)的行動(dòng)二。能耗里面，牽引能耗占比是最高的，基本在50% 左右。2022 年全行業(yè)總電耗是227 億度，牽引能耗113 億度，占比49.65%，綠色城軌行動(dòng)方案提出的指標(biāo)中，唯一的約束性指標(biāo)就是能耗指標(biāo)，這是根據(jù)國務(wù)院行動(dòng)方案中對交通系統(tǒng)的要求設(shè)定的——2025 年降低10%，2023 年降低15%。綜合能耗和牽引能耗都是這個(gè)指標(biāo)。

我們預(yù)計(jì)，對于新增線路的牽引能耗完成上述指標(biāo)困難不大，但存量線路完成這個(gè)指標(biāo)存在不小難度。指標(biāo)是對所有線路的，新線降的幅度更大一些，才能把既有線指標(biāo)分?jǐn)傔^來。

完成綜合能耗指標(biāo)，困難就更大一些，因?yàn)槭侨斯镏笜?biāo)，受客流量影響較大，因而不確定性大，所以又需要在降低牽引能耗上有更大貢獻(xiàn)，綜合指標(biāo)降低把握才能更大。所以說，從完成指標(biāo)角度來說，對牽引供電降低寄予的希望大。

二、發(fā)展思考

（一）綠色城軌建設(shè)是牽引供電系統(tǒng)升級(jí)換代的機(jī)遇

在城軌設(shè)備的幾個(gè)大系統(tǒng)中，牽引供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、自主化是最早的，所用的裝備依托行業(yè)自主開發(fā)，借力電力系統(tǒng)和國鐵的供應(yīng)鏈體系，發(fā)展得最成熟，但在這二十年中，相比車輛、信號(hào)、通信等系統(tǒng)，變化也是最小的，總體上沒有升級(jí)換代的變化。

行業(yè)內(nèi)在牽引供電系統(tǒng)方面的創(chuàng)新成果還是很多的。拿永磁電機(jī)來說，2011 年實(shí)現(xiàn)首次應(yīng)用，到現(xiàn)在已經(jīng)有4 家成熟的供應(yīng)商具備能力，有20個(gè)城市裝車應(yīng)用。雙向變流方面，寧波，重慶等已經(jīng)投入運(yùn)營，無錫即將投入運(yùn)營。如果算上同類的能饋裝置應(yīng)用就更早、面更寬，目前能饋已經(jīng)是標(biāo)配。

專用軌回流方面，寧波實(shí)現(xiàn)了輪軌體系的專用軌回流，重慶、蕪湖單軌天然就是專用軌回流。這幾項(xiàng)雖然可能還存在待完善迭代的內(nèi)容，但總體上可以說已經(jīng)經(jīng)過研發(fā)、試制、試用、批量應(yīng)用、運(yùn)營考核全過程，具備推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

從效果上看，各地?cái)?shù)據(jù)可能有所不同，但永磁電機(jī)節(jié)能20% 以上是基本的，雙向變流節(jié)能15% 以上是基本的，去用回流軌根治了雜散電流迷流是基本的。遺憾的是，由于種種原因，這些創(chuàng)新成果的應(yīng)用總體上還停留在點(diǎn)上，還沒有到面上，更沒有形成標(biāo)配。

目前，作為行業(yè)發(fā)展大目標(biāo)大戰(zhàn)略之一是推動(dòng)綠色城軌建設(shè)，過程中必然要抓主要矛盾方面，或者按“二八定律”提示的，抓關(guān)鍵的少數(shù)以取得百分之八十的效果。綠色城軌的關(guān)鍵在節(jié)能，節(jié)能的關(guān)鍵在牽引，牽引的節(jié)能關(guān)鍵在永磁電機(jī)和雙向變流，因此，可以說綠色城軌建設(shè)是牽引供電系統(tǒng)升級(jí)換代的機(jī)遇。這個(gè)認(rèn)識(shí)準(zhǔn)不準(zhǔn)，大家可以討論。裝備的發(fā)展，踩好點(diǎn)很關(guān)鍵。

（二）用系統(tǒng)思維看待新一代牽引供電系統(tǒng)

首先從新一代牽引系統(tǒng)應(yīng)用效果來看，節(jié)能是主要效果但只是其中的一個(gè)效果。電機(jī)方面從常規(guī)的異步電機(jī)轉(zhuǎn)變到采用永磁材料的同步電機(jī)，使得車輛的控制，從車控，架控轉(zhuǎn)變到軸控，實(shí)現(xiàn)了粘著資源的充分利用，因而動(dòng)車配置數(shù)可以減少，動(dòng)拖比可以進(jìn)一步優(yōu)化，動(dòng)車單元損失導(dǎo)致列車退出運(yùn)營的概率也可以大大降低。雙向變流器和專用軌回流方面，從常規(guī)的二極管整流器轉(zhuǎn)變到采用IGBT，實(shí)現(xiàn)的是能量轉(zhuǎn)換從不可控制到可控的轉(zhuǎn)變，從局部分段供電方式轉(zhuǎn)向全線變電所的協(xié)同供電。從利用鋼軌回流轉(zhuǎn)變到利用專用軌回流，實(shí)現(xiàn)的是對雜散電流由“堵”轉(zhuǎn)到“疏導(dǎo)”，從讓社會(huì)分擔(dān)雜散電流的危害，轉(zhuǎn)到杜絕雜散電流對社會(huì)的危害。以上這些轉(zhuǎn)變，我認(rèn)為是模式上的轉(zhuǎn)變，有“代”際升級(jí)的特征，可以說是牽引供電的新一代。

從“源- 網(wǎng)- 荷”回路系統(tǒng)來看，組合使用效果可能更佳。永磁電機(jī)、雙向變流與專用軌回流，每一個(gè)獨(dú)立使用都是有效果的。但如果從“源-網(wǎng)-荷”全回路看，組合使用可以有更大效果。所以為了好記，我提了個(gè)“三組合”“三件套”的提法，當(dāng)然兩組合，兩件套，或者獨(dú)立使用也是可以的。雙向變流的使用，永磁電機(jī)再生能量利用效率肯定要高。專用回流軌的使用，對優(yōu)化供電系統(tǒng)的配置肯定是有利的。

從全生命周期造價(jià)來看，采用永磁電機(jī)，架控變軸控，動(dòng)車數(shù)量可以減少，對造價(jià)影響是顯著的，4 動(dòng)2 拖變3 動(dòng)3 拖造價(jià)就持平了。采用雙向變流，有的工程變電所的間距已經(jīng)提高到5.27公里。北京已通車線路設(shè)置了411 個(gè)牽引所，牽引所間距平均只有1.95 公里，其中間距在1.5 公里以下的103 個(gè)，占25%。如果將間距提到3 公里，全線只要少設(shè)一個(gè)所，造價(jià)也就持平了。而且變電所間的協(xié)同供電，也為優(yōu)化設(shè)備的備用配置提供了可能，能否從所內(nèi)備用拓展到所間備用？雙向變流器還可以實(shí)現(xiàn)整流、能饋、功率補(bǔ)償、光伏接入等集成配置，專用軌回流可以減少屏蔽門的接地、取消排流網(wǎng)等，可以說是一個(gè)系統(tǒng)性的優(yōu)化，也必然降低造價(jià)。

三、展望

一是期望行業(yè)內(nèi)對牽引供電系統(tǒng)的升級(jí)換代給予更大的重視，我個(gè)人看，現(xiàn)在有需求、有基礎(chǔ)、有優(yōu)勢、時(shí)機(jī)成熟。

二是齊心協(xié)力推動(dòng)，升級(jí)換代。從現(xiàn)在的點(diǎn)、線的應(yīng)用，盡快向面拓展。作為標(biāo)配也是有可能的，《寧波軌道交通綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》明確在新線全面應(yīng)用。廣州已經(jīng)在推動(dòng)多達(dá)1700 多輛車采用永磁電機(jī)。協(xié)會(huì)在推動(dòng)新技術(shù)應(yīng)用方面是很慎重的，但對看準(zhǔn)的，是持續(xù)推動(dòng)并動(dòng)員行業(yè)專家為大家提供咨詢服務(wù)。我希望在新一代牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用上，業(yè)主用戶要大力推，設(shè)計(jì)院要主推，大學(xué)要進(jìn)教材，廠家要大力研發(fā)，城軌已通車線路308 條，在建線243 條，市場規(guī)模足夠大。

三是在推廣中完善，在完善中推廣。每一項(xiàng)技術(shù)裝備的發(fā)展都不是一蹴而就的，一定還有很多待完善的。有問題是正常的，有問題著力解決問題，大家群策群力，就一定能解決。

四是協(xié)會(huì)將頒布《城市軌道交通電動(dòng)客車牽引系統(tǒng)第10 部分：永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)》《城市軌道交通主動(dòng)式牽引供電系統(tǒng)第1 部分：通用技術(shù)要求》《城市軌道交通主動(dòng)式牽引供電系統(tǒng)第2 部分：雙向變流裝置》《城市軌道交通主動(dòng)式牽引供電系統(tǒng)第3 部分：能量運(yùn)控裝置》《城市軌道交通專用軌回流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》5 項(xiàng)團(tuán)標(biāo)，可以為新一代牽引供電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供支撐。

注：本文摘選自丁樹奎在“新一代牽引供電系統(tǒng)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)專題研討會(huì)”上的主旨演講，標(biāo)題為編者所擬。