現代有軌電車供電方式的研究與對比

田 煒, 常鵬飛, 林嬋娟

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106）

0 引言

以汽車為主體的城市交通造成大氣污染、不可再生能源危機和道路堵塞等情況頻繁發生，發展城市公共交通是良好的解決方式。城市公共交通包括地鐵、輕軌、電動公交車、有軌電車。其中地鐵在我國大城市建設趨于完善，而有軌電車憑借其中運量、運行可靠、成本低、節能環保等特性，更適用于大城市城區之間的聯系和中小城市的交通運行需求。

有軌電車的供電方式有：①沿途架設架空線路，有軌電車通過受電弓連接架空線通電運行；②第三軌供電，在鋼軌旁側鋪設一條特殊的輕型鋼條，輸入直流電作為牽引動力；③感應式地面供電系統，分別在電車行走軌下方和電車底部安裝線圈，能量通過?2?個線圈的電磁感應從下方的線圈傳給電車[2]；④采用儲能裝置，以列車車載儲能裝置為動力，各站點安裝充電裝置，列車到站后經充電裝置接入供電網絡充電。

架空線路有軌電車存在影響城市景觀的問題，第三軌供電和感應式地面供電都存在成本較大、維護困難等問題。而隨著對儲能元件的研究開發，其能量密度和功率密度得到大幅提升，儲能元件主要有鋰電池和超級電容組。如今，3??V/9??500??F?超級電容在城市交通中得到商業應用，將多個超級電容串并聯組成的超級電容組作為儲能單元能滿足有軌電車的站間能量需求，其快速充放電的特性也適用于頻繁啟停的城市軌道交通。

有軌電車在充電期間頻繁短時大容量的脈沖功率需求對城市配電網的安全穩定運行提出了很高的要求，需要對其充電方式進行研究。本文將對?3?種不同供電網絡下的充電方式在充電效率、對供電網和配電網的影響方面進行綜合比較。

1 超級電容有軌電車供電方式

有軌電車站間充電裝置結構主要由其供電系統決定，分為直流供電網絡、中壓供電網絡、低壓供電網絡。

1.1 直流供電網絡

根據國家標準《城市軌道交通直流牽引供電系統》，架設直流牽引供電網，直流供電電壓為?1??500??V。有軌電車車載超級電容在恒流充電的方式下效率最優，其充電裝置功率變換主回路如圖?1?所示。

其由?LC?濾波、DC/DC?變換器、預充電電阻組成，采用交錯級聯降低各個分支的充電電流。DC/DC?變換器將整流的直流電通過控制調整到合適的電壓或電流。該拓撲的優點有：模塊化設計、控制簡單、方便擴容。

1.2 中壓供電網絡

圖1 直流供電網絡下充電裝置主電路

中壓配電網額定電壓有?6??kV、10??kV、20??kV。可由多路變電站牽引電能搭建有軌電車供電網絡，其充電裝置主回路如圖?2?所示。

圖2 中壓供電網絡下充電裝置主電路

其由隔離變壓器、LCL?濾波器、AC/DC?整流器和斬波器組成。LCL?濾波器用于濾除有軌電車充電時產生的諧波，AC/DC?整流器采用三相?PWM?整流器，其作用是將三相交流電轉為直流電。該拓撲的優點在于諧波少、能獨立控制、可通過調整控制參數滿足有軌電車不同的充電需求。

1.3 低壓供電網絡

站間充電裝置就近接入?380V?城市低壓配電網，無需專門架設供電網絡。其功率變換主電路如圖?3?所示。為減小充電裝置對低壓配電網的容量沖擊，在充電裝置內加入儲能系統，減小充電功率。

圖3 低壓供電網絡下充電裝置主電路

其主要由?LCL?濾波器、三相?PWM?整流器、超級電容組、斬波器、放電電阻組成。其工作模式是在有軌電車未進站時，三相?PWM?整流器將三相交流電轉變成直流電給站內儲能系統充電，有軌電車到站后，站內儲能系統通過斬波器為有軌電車充電。該拓撲的優點是：無需架設專有線路、模塊化設計、對電網容量要求低、能適用于不同的供電網絡、具有極佳的適應性。

2 充電裝置主電路控制策略

2.1 三相電壓型 PWM 的控制策略

有軌電車作為大容量負荷，其運行會對電網產生諧波干擾，若采用不控整流，則其功率因素較低，且車輛充電產生的諧波電流、無功功率和電路損耗會造成電網電壓波動和電網污染，使得有軌電車難以通過供電系統入網認證。采用三相電壓型?PWM?整流器，雙閉環回路控制，交流側電流內環控制以提高充電裝置功率因素，直流側電壓外環控制以輸出恒壓信號，還可采用直流側電流外環控制輸出恒流信號。其控制框圖如圖?4?所示。

圖4 三相電壓型PWM控制框圖

2.2 DC/DC 控制策略

忽略電感電容的寄生電路，其主要功能是將?VSR?整流的直流電轉換為恒定的電流或電壓。根據超級電容的充電特性，采用先恒流后恒壓的充電方式。其控制框圖如圖?5?所示。

圖5 DC/DC 調壓器控制框圖

3 有軌電車充電對電網的影響分析

3.1 對城市輸電網的影響

直流牽引供電網和中壓牽引供電網絡下充電裝置輸入功率和有軌電車輸入功率相等，而低壓供電網絡下充電裝置輸入功率則低于有軌電車的輸入功率。充電裝置內超級電容組充電時間為?2?輛有軌電車發車間隔時間，在同樣充電能量的前提下，其充電裝置輸入功率為前兩者的?1/20～1/6。以武漢超級電容有軌電車運行參數為例，有軌電車輸入電壓為?DC900??V，輸入電流?1??200??A，輸入功率?1.08??MW，設站點?20?個。當多個站點同時充電時，采用直流牽引網和中壓牽引供電網絡下的充電方式對城市電網提出了極大挑戰。而儲能式充電裝置通過延長充電時間極大地減小了對整個電網的容量需求。

3.2 對城市配電網的影響

在滿足有軌電車線路充電站容量的前提下，由于直流供電網絡和中壓供電網絡采用的是專有線路，故其不會對其他用電負荷產生較大干擾。而儲能式充電裝置就近接入了?380V?城市低壓配電網，其充電功率約為配電網變壓器容量的?1/3。因此，需對有軌電車接入的線路進行系統規劃，避免接入負荷過重的線路，更多考慮線路負載率低的接入點，故采用低壓供電網絡充電的有軌電車站點需根據城市負荷情況及有軌電車線路規劃綜合決定（表?1）。

表1 各充電方式性能對比

4 結論

未來有軌電車的快速發展必然會對城市電網帶來較大影響，對比研究合適的有軌電車充電方式，有助于更好地推廣有軌電車。由上述分析可以看出，以上?3?種供電網絡下充電裝置設計都能滿足有軌電車的充電要求，但考慮到對城市輸電網和配電網的影響，得出了儲能式充電裝置具有更好的經濟性和適應性的結論。其不需專門架設牽引網絡，極大降低了有軌電車充電容量，減小了功率和電網電壓波動，以及相應的電力增容費和建設費用。針對其供電可靠性，可以適當增加充電裝置內超級電容組容量，使得能滿足在供電網絡出現短暫故障或負荷較重時有軌電車的能量需求。同時，儲能充電裝置也適用于中壓供電網絡，具有模塊化特性和良好的適應性。