新一代智慧型城市軌道交通牽引供電系統的創新理念與實踐

劉 建，劉志剛

1 研究背景

我國城市軌道交通經過幾十年的發展已經取得了舉世矚目的建設成就。如何抓住機遇，借助國家對城市軌道交通大發展和國家一帶一路戰略“走出去”的東風，服務國家和國際重大需求，將我國城市軌道交通牽引供電技術裝備的研究、制造及系統集成水平走向世界前列，并努力創新，建立世界最先進水平的技術體系，引領行業技術發展，為此筆者有如下4個方面的發展思路：

1）堅持需求導向和問題導向。國家的重大需求給城市軌道交通研制重大裝備與系統集成技術創造了巨大的發展機會，通過創新，滿足不斷增長的社會需求。

2）加強裝備技術研究，促進科技成果轉化，有計劃分層次地布局研究，將基礎研究、技術研究、裝備制造、系統集成有機融合。

3）經濟和技術指標是衡量技術裝備是否有生命力的不可或缺的兩個重要方面，全生命周期的經濟技術指標是系統具有可持續性的重要標志。

4）新技術的發展必然會催生新標準的制定，通過研發新技術裝備和建立新的技術體系，及早推進新的國家標準的制定，占領本領域的制高點，讓中國標準走出去，甚至成為國際標準。

以節能為目的的城市軌道交通能饋式牽引供電系統，已經被業內普遍接受并正在規模化推廣。如何在此基礎上加大創新力度，對牽引供電系統做根本的改變，在系統功能、供電性能、可靠性與使用壽命、智能化及綜合建設成本等方面取得綜合最優，是我們目前面臨的巨大創新機遇。

軌道交通的巨大需求為牽引供電系統裝備制造和系統集成提供了廣闊空間，電力電子技術的最新發展和器件水平的提高與成本的降低使得先進的電能變換拓撲應用成為可能；現代網絡科技和計算機技術的發展為系統裝備制造信息化打下了堅實基礎；以控制科學為基礎的智能化最新科技成果為牽引供電系統裝備的升級換代提供了有力的支撐；幾十年的運營經驗積累、系統集成技術積累和行業技術與管理人才積累為產生世界頂尖的技術成果和系統綜合的技術裝備做好了必要的準備。

2 存在問題與創新理念

2.1 存在問題

我國城市軌道交通已經取得了巨大成就，并且前景廣闊，但是隨著研究和應用的深入，筆者發現當前城市軌道交通牽引供電系統存在著如下一些問題和不足：

1）系統采用“打補丁式”的解決方案。為了解決制動能量回收、功率因數補償和接觸網融冰等問題，分別引入了中壓能饋裝置、SVG（基于大功率逆變器的動態無功補償裝置）、融冰裝置等一系列裝備，造成系統結構復雜，建設投資大，不利于系統的簡化和可靠性的提高，給運營維護帶來困難。

2）缺乏系統綜合優化，能源的利用率未達到最大化。沒有充分考慮列車的因素，即載荷因素，缺乏車地一體化設計優化理念，不利于最大限度地發揮列車的再生制動能力和再生能量再利用能力，沒有從系統的角度優化設計中壓能饋裝置的容量。

3）智能化程度不高。缺乏對設備故障點的精準定位以及故障分析，更做不到對關鍵部件的壽命預測，因而無法做到基于大數據的輔助維護維修。

4）現有的技術標準不能反映最新技術發展。新技術的不斷應用，亟待相關部門制定相關技術標準。

因上述問題，造成供電系統結構復雜、建設成本高、節能效果差、維護維修不便、運行成本高等問題。

2.2 系統最優理念

1）整體優化，綜合最優。以系統整體優化為目標，優化設計牽引供電系統設備布置和容量配置。

2）牽引供電設計考慮車輛動態載荷特性，以獲得最優的牽引供電品質。

3）結構最簡。簡化供電系統結構，減少設備種類，降低綜合建設成本和后期運營維護成本。

4）性能增強，供電品質提高，電壓波動小，諧波含量低。

2.3 系統集成

系統集成應綜合考慮最新技術發展、建設成本因素及運營維護維修成本因素，是一個系統工程。系統集成反映城市軌道交通的需求，體現系統技術性及經濟性，將直接影響系統的應用和可持續發展。

2.4 經濟合理性

系統的經濟性將影響行業的可持續發展，因此降低綜合建設成本和減少使用維護成本是非常必要的。

3 新一代智慧型牽引供電系統

科技進步使得城市軌道交通牽引供電系統的升級換代成為可能。

3.1 核心技術來源

高鐵和城軌牽引供電及傳動系統結構如圖 1所示，對比發現，二者都屬于“交直交”的變流系統，存在很大的相似性。區別在于：高鐵的交流變直流采用四象限變流器，并且在車上；城軌的交流變直流采用二極管整流器，在地面變電所內。 目前城軌供電系統存在的再生制動能量浪費、電壓波動大等問題都與采用二極管整流器及能量無法雙向流動有關。

為此，新一代牽引供電系統在變流裝置上應進行大膽創新，建議采用四象限變流技術，部分取代甚至完全取代能量單向流動的二極管整流器。

3.2 牽引供電系統“四代”的劃分

城市軌道交通牽引供電系統采用直流供電模式，動車牽引所用的直流電來源于地面供電所的交直流電能變換，這種方式一直運用至今。為了直觀分析城市軌道交通牽引供電系統的發展過程，根據牽引供電系統具備的功能，對其進行“四代”劃分，如圖2所示。

圖1 高鐵和城軌牽引供電及傳動系統結構對比Fig. 1 Comparison of structure of traction power supply and transmission system of high-speed rail and urban rail transit

圖2 牽引供電系統四代劃分Fig. 2 Division of traction power supply system of four generations

1）第一代：以24脈波二極管整流器為核心的交直流變換。由于二極管整流器的電流具有不可逆性，地鐵車輛的制動再生能量只能被在車輛或地面設置的再生能耗吸收電阻消耗掉，浪費了能源的同時還增加了環控負擔，形成了環控的二次耗能。除此之外，由于二極管整流的不可控性，使得直流網壓波動范圍大，供電品質差。

2）第二代：為解決制動能量不能充分利用的問題，引入四象限變流技術，很好地解決了車輛制動能量回收再利用的問題。經過低壓能量回饋的過渡，近三四年逐漸推廣的中壓能饋系統因節能效果顯著、工作性能穩定而得到了業界的充分肯定。

3）第三代：盡管第二代很好地解決了車輛再生能量回饋利用的問題，但是四象限變流器的功能沒有得到充分發揮。四象限變流技術具有可控的電能交直變換、直交變換以及無功調節功能。第三代就是充分利用了這些功能，實現了集制動能量回收利用、可控整流提高供電品質及功率因數補償三個功能于一體，從而實現了系統結構簡化、功能增強、供電品質提高、綜合建設成本和使用維護成本降低的目標。

4）第四代：在保持第三代優點的基礎上，采用完全的四象限變流技術供電，使得系統結構進一步簡化和優化；引入在線智能融冰功能；強化裝置與系統的智能故障診斷功能以及智能壽命預測功能，為裝置的狀態修做好技術基礎準備。

其中，第二代技術已經應用成熟，第三代目前正在推廣，第四代處于研發當中。第四代高度智能化的牽引供電系統也是未來的發展方向，“四代”牽引供電系統技術及經濟指標對比如表1所示。

3.3 新一代牽引供電系統的特征與評估評價

新一代（即第四代）牽引供電系統結構如圖3所示，整合了牽引供電、能量回饋、無功補償和接觸網融冰四大核心功能。

表1 技術及經濟指標對比Tab. 1 Comparison of technical and economic index

3.3.1 系統特征

新一代城市軌道交通牽引供電系統，充分發揮了四象限變流器的雙向變流功能，因此牽引供電系統結構大大簡化了，牽引供電性能也大大提高了。這種系統層面的創新直接導致綜合建設成本的降低、使用維護的簡便和費用的減少。

基于大數據的智能化新技術的采用，也為在整條線路層面上的能源管理、系統設計、維護維修策略、人員配置等提供了最為直接可信的數據支撐。

新一代牽引供電系統的特征將包括：系統結構簡化、供電品質提高、節能效果顯著、智能化水平提高、綜合建設成本降低、運營維護成本降低、靈活性和可擴展性強等。

圖3 新一代牽引供電系統示意Fig. 3 Schematic diagram of new generation traction power supply system

3.3.2 系統的評估評價

一個先進的城市軌道交通牽引供電系統，至少應該包括7個方面的評估：供電質量、節能效果、諧波含量、功率因數、可靠性與壽命、綜合造價、使用維護成本等。

1）提高供電質量。發揮車輛在大發車密度前提下的列車通過能力，有利于提高車輛的運行效率。

2）節能。通過列車制動能量回饋、車地優化協同控制、先進器件與電路、牽引電機的最優勵磁控制等，從牽引供電系統的不同位置測試節能量，其結果有很大的差異，這將直接影響對系統節能效果的準確評價。列車制動能量回饋到中壓網還是高壓網，將直接影響地鐵用戶的經濟效益。

3）所節電能的質量，包括諧波含量、回饋電能對電網的沖擊、負序和零序電流。

4）功率因數補償。采用分散式功率因數補償及分配補償容量。

5）系統可靠性。器件的質量、電路拓撲（三電平還是兩電平）、電磁兼容設計（等級）、正確的使用等因素影響系統裝置的可靠性。

6）綜合造價，包括系統容量配置及站間距等因素。通過大數據分析，掌握能源利用規律，可為節能策略及系統容量設計提供依據，降低綜合造價。

7）使用維護成本，指使用設備的消耗和維修保養成本。通過壽命預測，可為系統裝置的狀態修提供技術支持，降低使用維護成本。

4 關鍵核心技術

4.1 最優容量配置技術

最優容量配制技術框圖見圖4所示。

圖4 最優容量配置技術框圖Fig. 4 Block diagram of optimal capacity-configuration technique

4.2 諧波抑制技術

綜合運用多種手段，確保交流電網電能質量優于IEC及國家相關標準要求，降低成本。除了綜合考慮四象限變流器的電感取值及PWM（pulse width modulation，脈沖寬度調制技術）諧波消除方法外，還采取了先進的諧波對消技術。為了進一步降低諧波，采用先進載波移相技術，使多個模塊之間實現諧波對消，如圖5所示。

對不同逆變器的SVPWM（空間矢量脈寬）調制方法，使各單元的正弦調制波采用相同的頻率和幅值，但相位依次相差固定的角度，從而使每個單元輸出的SVPWM脈沖也錯開一定的角度，降低電流諧波。

4.3 再生制動能量優化利用技術

基于分布式協同吸收技術，將列車再生制動能量分別反饋到兩段交流母線，使再生制動能量在地鐵系統內部更好地被利用，降低電能反送城市電網的概率，如圖6所示。

圖5 載波移相Fig. 5 Carrier phase-shifting

圖6 再生制動能量優化利用技術Fig. 6 Technique of optimal utilization of regenerative braking energy

4.4 功率因數補償技術

利用變流器的四象限運行能力，發出所需大小的無功功率，在功能上取代傳統的主變電所的專用無功補償裝置，提高系統功率因數，使得牽引供電系統功能完善、設備簡化、建設成本降低，如圖7所示。

4.5 車地一體化技術

采用車地一體化節能控制技術，基于多目標優化理論，在保證制動力正常發揮以及列車制動安全性的前提下，通過地面裝置和車輛的控制參數匹配，實現列車再生制動能量的最大發揮，如圖8所示。

4.6 在線智能融冰技術

對于在地面運行的城市軌道交通會出現接觸網結冰的問題，傳統的方法需要專用設備和專門的人工操作，并且無法解決運行過程中的在線融冰問題。本方案在不增加任何設備的前提下，通過增強控制模式即可實現在線智能融冰功能，有效地保障了城市軌道交通在特定環境條件下的正常運營，如圖9所示。

圖7 分布式無功補償Fig. 7 Distributed reactive compensation

圖8 車地一體化技術Fig. 8 Vehicle-ground technology

圖9 在線智能融冰示意圖Fig. 9 Schematic diagram of online smart de-icing

4.7 牽引供電系統的電磁兼容性

牽引供電系統中的主電路和基于網絡的智能化控制越來越多地采用了以計算機為核心的電子控制系統，以及與之相配套的網絡系統。電磁兼容性技術是保障系統可靠性和穩定運行的關鍵。

城市軌道交通牽引供電系統是高等級負荷，對可靠性及安全性要求較高，因此在選擇電磁兼容相關標準上應該采用較高等級。

4.8 大數據采集及分析

建立對城市軌道交通牽引供電系統的大數據分析有如下3個方面的意義：

1）對已知規律的量化。通過對大數據的分析，統計運行規律，建立因果關系，如通過對大數據的分析，尋找出系統能耗與客流量、供電制式、車型、環境溫度與濕度、線路的坡道與彎道、運營組織模式等之間的相關函數關系。

2）通過對大數據統計分析發現未知，獲得目前我們的認知還沒有意識到的運行規律，對系統設計及運營有重要參考依據。

3）預測未來某些量的發展趨勢。通過對大數據的分析，可以較為準確地獲得將來某些系統參數的變化趨勢，為更好地應對某些變化做好思想上、設備上和管理上的準備，甚至能有效避免某些安全事故的發生。

對于城市軌道交通牽引供電系統可做如下的研究和嘗試：基于“大數據”的牽引系統能耗模型及節能措施；基于“大數據”的列車輔助系統能耗模型及節能措施；牽引供電系統動態供電規律研究，等等，如圖10所示。

圖10 基于“大數據”的城軌信息綜合分析系統Fig. 10 Synthetic analysis system of urban rail transit information based on big data

4.9 智能故障診斷與壽命預測

實時監控及采集牽引供電系統關鍵部件的特征量數據，通過對特征量數據的長期累積，形成包括電壓、電流、功率、溫度等多特征量的大數據。通過對大數據的深入挖掘，構建關鍵部件壽命模型，建立其總體老化、損傷及安全度與特征量的對應關系。在此基礎上，實現對部件壽命的在線實時判斷，根據安全健康度的評估結果指導實施預防性動態維護與狀態修?；诖髷祿膲勖A測技術包括累積損傷技術和特征量辨識技術，如圖11～12所示。累計損傷技術是通過檢測器件承受的電壓電流沖擊和應力，以及溫度變化情況，結合部件自身的失效模型，完成關鍵部件剩余壽命預測及系統健康狀態評估。特征量辨識技術是實時監控及采集牽引和供電系統關鍵部件的特征量數據，特征量數據經過長期累積，形成包括電壓、電流、功率、溫度等多特征量的大數據。通過對大數據的深入挖掘，構建關鍵部件壽命模型，建立其總體老化、損傷及安全度與特征量的對應關系。在此基礎上，實現對部件壽命的在線實時判斷，最終根據安全健康度的評估結果指導實施預防性動態維護與狀態修。

圖11 累積損傷技術Fig. 11 Cumulative damage technology

圖12 特征量辨識技術Fig. 12 Feature identification technology

5 結語

綜上所述，本文介紹了一種國際先進理念的城市軌道交通牽引供電系統，系統具有結構簡單、可靠性高，多種功能整合（能量回饋、牽引供電、無功補償，智能融冰），智能化水平大幅提升，建設成本和使用維護成本降低，可擴展性強（ 免費升級）等特點。

本文所述系統從基礎技術出發，既有基礎理論創新，又有系統集成創新，其應用推廣將對現有城市軌道交通牽引供電系統進行重要升級。因此，及時組織行業標準乃至國家標準的制定，對建立具有完全自主知識產權的技術體系與標準體系是非常必要的。對響應國家走出去倡議、提高我國的國際聲譽和擴大國際影響具有非常重要的意義。

除了上述關鍵技術方面的研究外，還需要對城市軌道交通牽引供電系統的評估評價體系進行研究，建立既有科學性又有可操作性的評估體系，重點評估系統功能與性能、綜合建設成本和周期、使用維護成本、節能效果及全壽命周期經濟技術等方面指標，進一步促進城市軌道交通牽引供電系統的發展和建設。

城市軌道交通牽引供電系統是一個涉及多個學科和專業的系統工程，需要“政產學研用”的協同創新，以達到系統的功能、性能、建設成本的綜合最優。及時推動和促進升級換代技術的推廣應用，必將對高質量的城市軌道交通建設起到積極作用。

[1] 張鋼. 城市軌道交通能饋式牽引供電變流系統關鍵技術研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2010.ZHANG Gang. Study on key techniques of energy-fed traction power system for urban mass transit[D]. Beijing:Beijing Jiaotong University, 2010.

[2] 丁樹奎, 韓志偉, 張鋼, 等. 能饋式牽引供電原理及其在城市軌道交通中的應用[M]. 北京: 北京交通大學出版社, 2014.DING Shukui, HAN Zhiwei, ZHANG Gang, et al. The principle of energy feedback traction power supply and its application in urban rail transit[M]. Beijing: Beijing Jiaotong University Press, 2014.

[3] 中國城市軌道交通協會. 城市軌道交通 2016年度統計和分析報告[R]. 北京, 2016.China Urban Rail Transit Association. 2016 annual statistics and analysis report of urban rail transit[R]. Beijing, 2016.

[4] 全恒立. 城市軌道交通混合式牽引供電裝置關鍵技術與性能優化研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2013.QUAN Hengli. Research on key techniques and performance optimization of hybrid traction power equipment for urban rail transit[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2013.

[5] 孟苓輝, 劉志剛, 刁利軍, 等. 城軌列車牽引逆變系統可靠性評估[J]. 鐵道學報, 2014(9): 34-38.MENG Linghui, LIU Zhigang, DIAO Lijun, et al. Evaluation of reliability of urban rail traction inverter system[J]. Journal of railway, 2014(9): 34-38.

[6] 耿亮, 虞蒼璧, 劉寶誠. 城市軌道交通供電無功補償設備安裝及容量確定[J]. 電氣技術, 2012(5): 64-67.GENG Liang, YU Cangbi, LIU Baocheng. Installation mode and capacity determination of reactive power compensation equipment at city rail transit[J]. Electrical engineering, 2012(5): 64-67.

[7] 朱士友, 阮白水, 全恒立, 等. 基于能饋式牽引供電裝置的城市軌道交通無功補償策略[J].電工電能新技術,2013, 32(2): 16-19.ZHU Shiyou, RUAN Baishui, QUAN Hengli, et al. Study of urban rail reactive power compensation strategy based on energy-fed traction power supply equipment[J]. Advanced technology of electrical engineering and energy, 2013,32(2): 16-19.

[8] 廖志斌. 基于再生能量利用的城市軌道交通列車運行綜合節能優化[D]. 北京: 北京交通大學, 2017.LIAO Zhibin. Integral energy saving optimization of urban rail transit based on regeneration energy utilization[D].Beijing: Beijing Jiaotong University, 2017.

[9] 衛巍, 韓志偉, 張鋼. 再生能饋裝置在北京地鐵工程中的應用及節能效果分析[J]. 都市快軌交通, 2016, 29(4): 107-110.WEI Wei, HAN Zhiwei, ZHANG Gang. Application of energy feedback traction power supply device and analysis on energy-conservation effect for Beijing subway[J].Urban rapid rail transit, 2016, 29(4): 107-110.

[10] 張鋼. 城市軌道交通能饋式牽引供電技術研究[J]. 電氣時代, 2014(3): 48-50.ZHANG Gang. Study on energy-fed traction power technologies for urban mass transit[J]. Electric age, 2014(3): 48-50.