節能技術在城市軌道交通車輛 牽引傳動系統中的應用

曹虎 董凱 孫叢君 白旭峰 李華 郝帥 何俊鵬

摘 要：牽引傳動系統是城市軌道交通車輛的重要耗能系統，節能技術在牽引傳動系統中的應用對于城市軌道交通未來的發展意義重大。通過結合城市軌道交通列車能耗仿真軟件對車輛能耗構成進行分析，提出牽引傳動系統的主要節能措施，并重點介紹碳化硅功率器件、永磁同步牽引傳動、中高頻大功率 DC-DC 輔助變流和 DC600V直流供電等節能技術的現狀和應用特點，以期為節能技術在城市軌道交通牽引傳動系統中的應用提供參考和借鑒。

關鍵詞：城市軌道交通;牽引傳動系統;節能技術;碳化硅功率器件;永磁同步牽引電機;中高頻大功率輔助變流;DC600V直流供電

中圖分類號：U270.35

0 引言

城市軌道交通不僅具有安全、高速、準時、可計劃以及大運量等特點，還有助于節能減排，建設資源節約、環境友好型社會。雖然，按同等運能比較，軌道交通的能耗比其他交通工具小，但由于其大運量的特點，其總耗電量仍相當大，依然有節電潛力。

城市軌道交通車輛牽引傳動系統是一個包括高壓電氣回路、牽引變流系統、輔助變流系統和接地回路等子系統的復雜系統。牽引能耗在城市軌道交通車輛總能耗中占主要部分。新一代功率器件和新型電機的應用為提升牽引傳動系統能效提供了基礎條件，新的拓撲和控制方法則有助于最大限度地實現小型輕量化設計。因此，在設計和制造此系統時，應把握高效、智能化、小型輕量化的發展方向，綜合分析各子系統相關的節能技術，把節能分析、節能設計、節能管理緊密結合起來，從而達到提高綜合能效指標的目的。

1 城市軌道交通車輛能耗構成

電能消耗是城市軌道交通系統運營過程中能源消耗的主要形式，主要包括列車運行牽引能耗以及車站動力照明設備能耗。列車運行牽引能耗即列車運行所消耗的牽引電能，主要包括車輛牽引系統和輔助系統能耗。根據對城市軌道交通的用電負荷統計分析，牽引系統能耗占城市軌道交通車輛運營能耗的40%～50%。

定量分析城市軌道交通車輛的能耗影響因素、評估能耗大小、找出節能突破點，對降低城市軌道交通車輛運輸成本、提升能源利用率、提高經濟效益以及維持可持續發展都有很現實的意義。為此，中車青島四方車輛研究所有限公司研究團隊（以下簡稱“研究團隊”）開展了城市軌道交通列車能耗成因及機理的研究，并進行了能耗仿真軟件的開發。該軟件以城市軌道交通車輛動力學模型和各部件主要參數作為模型計算主體，輸入車輛基本情況和運行工況，輸出系統能耗計算結果和各部件綜合能量效率，其結構框架如圖1所示。該軟件通過計算不同種類城市軌道交通車輛在不同運行工況條件下所受的合力，進而計算在固定速度工況條件下的功率需求及能量消耗，同時通過對各部件輸入及輸出功率進行積分計算得到各部件的能量效率，為城市軌道交通列車動力系統能耗評價提供仿真計算依據。因此，上述能耗仿真軟件可在一定程度上指導系統設計和設備選型，優化整車及關鍵系統設計。

為了驗證該能耗仿真軟件的合理性和可行性，將重慶地鐵10號線列車的相關信息輸入到仿真軟件中，并將仿真結果與列車在實際單程運行工況下的能耗進行對比分析，結果如圖2所示。從圖2中可以看出，牽引能耗仿真結果與實際牽引能耗變化趨勢一致。在上述實際單程運行過程中，牽引能耗仿真結果為580 kW · h，實際牽引能耗為540 kW · h，仿真結果與實際數值的偏差為7.41%，證明仿真軟件能夠較好地反映城市軌道交通列車的牽引能耗水平。

此外，該軟件能夠仿真計算出城市軌道交通車輛運行能耗的組成部分及分布情況，如牽引系統損耗、列車運行阻力損耗、輔助系統能耗等，如圖3所示。由仿真結果可知，牽引系統損耗和輔助系統能耗總和約占整個車輛能耗的70%，列車制動損耗約占15%，所以提高牽引和輔助設備能量轉換效率，降低制動損耗是車輛節能的最有效途徑。

2 牽引傳動系統節能措施

牽引傳動系統是城市軌道交通車輛的主要耗電設備，由高壓電氣回路、牽引變流系統、輔助變流系統和接地回路等子系統組成。牽引變流系統負責將直流供電電源轉換為用于驅動電機的交流變頻電源，輔助變流系統負責將直流供電電源轉換為用于車輛空調、照明的工頻電源，兩者是整個車輛能量轉換的重要組成部分，所以提高這兩大系統關鍵設備的能量轉換效率是節能的關鍵。

2.1 碳化硅（SiC）功率器件的應用

近年來，隨著以SiC為代表的寬禁帶半導體材料制備及生產工藝的迅速發展，高電壓、大電流的SiC功率半導體器件逐漸投入市場，以美國CREE公司為代表的企業已推出各種電壓等級的SiC功率器件。SiC功率器件具有耐高溫、耐高壓、工作頻率高等特性，可提高車輛牽引變流器和輔助變流器的效率，減小其工作噪聲，并能夠通過提高整機功率密度實現減輕整車質量和節能的目的。

目前商業化SiC功率器件的優點主要體現在開關損耗、開關頻率和溫度特性上。圖4為SiC功率器件與傳統硅（Si）功率器件開關電流的對比波形。試驗結果表明，SiC功率器件在開關損耗上有明顯優勢，尤其是二極管反向恢復損耗。此外，相比Si功率器件，SiC功率器件的開關損耗熱穩定性更好，其開通和關斷損耗并不會隨著器件結溫的變化而顯著變化，如圖5所示，這一特點非常有利于提高變流器的熱穩定性。

在變流器的設計中，應用SiC功率器件不但可以降低系統功率損耗，而且可以通過提高開關速度優化磁性材料的應用特性，減小磁芯元件的尺寸和質量，并降低直流支撐電容的容值。系統功率損耗的減小也降低了對散熱部件的要求，因此允許使用更小的散熱器和風機，甚至取消風機，從而實現設備組件及設備的小型化、輕量化。但由于SiC功率器件的價格較高，在實際應用中要綜合考慮各種設計因素，以實現系統的最優配置。

研究團隊以某有軌電車牽引系統（車輛采用DC750V電源供電）的技術指標為設計目標，分別開發了應用Si和SiC半導體開關器件的牽引和輔助變流器。牽引變流器的額定工作容量360 kVA，輸出電壓0～

520 V，輸出電流440 A;輔助變流器的額定容量40 kVA，充電機的額定功率10 kW。研制出的樣機參數如表1所示，采用SiC功率器件的牽引變流器體積比采用Si功率器件減小超過30%，質量減小近40%。為了進一步對比SiC功率器件在損耗方面的優勢，研究團隊進行了不同速度下的效率試驗，試驗結果如表2所示。由表2可知，相比于Si功率器件的牽引變流器， SiC牽引變流器的運行效率提升約1.4%，系統損耗降低約53%。

采用SiC功率器件的輔助變流器箱在質量上也有明顯減小，但減小效果沒有牽引變流器明顯，僅為16%。分析質量減小的效果未達到更優的主要原因是：為了平衡設計成本和系統效率，SiC功率器件未采用更高的開關頻率。對SiC輔助變流器進行的效率測試結果表明，系統效率提升3%，達到95%，系統損耗降低約42%。除此之外，對輔助系統進行的溫升試驗結果表明（圖6），無論是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）還是電磁器件，溫升均有明顯降低，這可顯著提高系統的穩定性和可靠性。

SiC功率器件具有工作頻率高、耐高溫、低損耗等諸多性能優勢，有利于推動電能轉換技術的革新，發展綠色智能軌道交通。但由于目前SiC功率器件的電壓、電流等級以及成本等因素，要實現其在城市軌道交通行業的大規模商業應用，仍有不少難題需要克服。

2.2 永磁同步牽引傳動技術

在軌道牽引傳動系統中，永磁同步牽引電機以其高效率、高功率密度、低噪聲等優點受到國內外的廣泛關注。德、日、法等軌道交通裝備制造強國均將永磁同步牽引系統作為第3代軌道交通牽引技術進行研究和開發，目前已進入樣機工程化和商業化的應用階段。牽引系統采用永磁同步電機，可有效降低系統能耗和噪聲水平，減少電機日常維護工作，符合建立綠色城市交通系統的理念，已成為下一代城市軌道交通的發展方向。

永磁同步牽引電機采用具有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩余磁化強度的永磁材料，與異步牽引電機相比，其主要優勢在于過載能力強、功率因數高、效率高、噪聲低。圖7為永磁同步牽引電機與異步牽引電機的效率分布圖，表征電機全運行工況下的效率高低，圖中深紅色區域為高效區域。由圖7可知，永磁同步牽引電機的高效區域面積遠大于異步牽引電機。由于城市軌道交通運行站間距短，列車頻繁啟停，牽引電機經常低速運轉，而永磁同步牽引電機全工況范圍內的高效特性可更加節能。同時，采用具有高磁能積的永磁體可提高永磁同步牽引電機的功率密度，從而可在相同功率下減小電機的體積與質量。由于永磁同步牽引電機的效率顯著提高，電機自身發熱大幅度減少，特別是轉子的發熱量明顯降低，因此可以依據系統需求實現全封閉設計，這樣不僅可減少清掃維護工作，也可降低噪聲。

研究團隊根據青島地鐵11號線牽引系統的技術指標（車輛采用第三軌DC1500V供電，牽引系統采用軸控方式），開發了永磁同步牽引系統，電機的額定功率為230 kW。該系統于2017年9月在青島地鐵11號線通過了地面試驗、裝車試驗、空載試運行和正線載客運營各個階段的考核。表3為永磁同步牽引列車和異步牽引列車載客運營期間的能量生成和消耗數據，包括牽引能耗、回饋電網能量和制動電阻能耗。由表3可知，永磁同步牽引列車平均每千米的能耗為10.41 kW · h，回饋電網能量為5.55 kW · h，相比異步牽引列車，永磁同步牽引列車平均每千米牽引能耗可減少0.42 kW · h，回饋電網能量多0.2 kW · h。制動能量除了回饋電網外，還有一少部分被制動電阻消耗，因此綜合考慮回饋電網與制動電阻消耗的再生能量，永磁同步牽引列車平均每千米的總能耗為3.95 kW · h，比異步牽引列車（平均每千米4.64 kW · h）節能15%。按照異步牽引列車每年運行20萬km，每千米耗電4.64 kW · h計算，1列列車1年將耗能92.8萬kW · h。由此可知，基于永磁同步牽引系統的列車每年可節約電能近14萬 kW · h。

如今，異步牽引系統已經非常成熟，從供應商到運營部門都積累了大量的設計、運用和維護經驗，而永磁同步牽引系統的應用經驗較少，需要針對永磁同步電機的特殊性，依據系統頂層指標對永磁同步電機的反電勢、短路電流以及牽引系統的主電路拓撲結構等進行合理設計，以使永磁同步牽引系統在滿足系統牽引/制動特性的前提下安全可靠地工作。

2.3 中高頻大功率 DC-DC 輔助變流技術

傳統輔助電源多采用工頻拓撲，先將直流電逆變，再經工頻變壓器降壓隔離，輸出三相工頻交流電源。由于工頻變壓器工作頻率低、功率密度小，因此體積、質量和損耗通常較大。此外，逆變回路通常選用3 300 V等級的IGBT，電能轉換過程中開關損耗較大，所以傳統輔助電源的實際效率通常小于91%。

隨著大功率DC-DC軟開關技術的發展，采用中高頻大功率DC-DC隔離技術的輔助電源已成為城市軌道交通車輛輔助電源的重要發展趨勢。中高頻大功率DC-DC輔助電源的結構如圖8所示，與傳統輔助電源電路拓撲相比，該拓撲在三相逆變器前增加一級帶高頻變壓器隔離的DC-DC變換器，即先對高壓直流電源進行降壓斬波，再逆變輸出AC380V電源。它與采用工頻方案的輔助電源最大不同在于采用高頻逆變器、高頻隔離變壓器、高頻整流濾波器的結構，將網側輸入電壓降壓斬波為所需要的直流電壓。

采用這種電路結構有以下優點。

（1）變壓器效率高、體積小、質量小。以某項目130 kVA輔助電源的變壓器為例，采用此種電路結構后變壓器損耗由2.6 kW降低到0.8 kW，質量由原來的450 kg減小到100 kg以內。

（2）逆變頻率高、損耗小。由于輸入電壓經過DC-DC斬波降壓，因此逆變回路可采用1 700 V或更低電壓等級的IGBT，開關損耗低，開關頻率進一步提高。這有利于減小散熱部件尺寸和優化三相濾波回路參數，減小部件質量，提高系統效率。

（3）系統效率高。在隔離型中高頻大功率DC-DC結構中多使用諧振軟開關技術，即利用諧振過程中電壓和電流周期性過零的特點實現軟開關，降低器件的開關損耗，提高能量轉換效率。

采用中高頻大功率DC-DC變流技術的輔助電源已在多個地鐵項目中裝機應用。表4是研究團隊針對6節編組的城市軌道交通車輛分別為傳統輔助電源和中高頻大功率DC-DC輔助電源制定的技術指標。對比質量參數可知，在保持箱體尺寸不變的情況下，單臺電源的質量由原來的1 450 kg減小到1 010 kg，減小約30%。此外，由于輔助逆變電源采用中高頻大功率DC-DC變流技術，電源效率由原來的91%提高到94.5%。但由于其電路拓撲結構復雜，系統控制難度大，對系統可靠性設計要求較高。

2.4 DC600V 直流供電技術

除了采用更先進的半導體器件以及更高效的電路拓撲以外，通過優化或改變整車供電制式和供電模式、減少能量轉換環節、提高電能利用率，也是車輛節能的重要手段。研究團隊研發的DC600V直流供電技術即采用這種方案。

DC600V直流供電技術是在列車輔助電源中高頻化以及空調電源變頻化的應用背景下提出的。上海市軌道交通5號線、沈陽地鐵1號線以及北京地鐵燕房線的車輛已采用變頻空調替代傳統的定頻空調。目前，城市軌道交通列車上的變頻空調機組多采用交-直-交變頻器，先將工頻AC380V整流成直流電壓，再經逆變單元轉變成頻率可調的交流電輸出，其存在結構復雜、能量轉換效率低的缺點。針對此問題，研究團隊對變頻空調的直流供電系統進行研究，研制出DC600V輔助供電系統，增加DC600V輸出電壓制式，使空調機組直接從該供電系統上取電，不但省去了空調機組的中間整流環節，還大大降低了AC380V逆變電源的設計容量，減小了設備的質量和體積，實現了列車輔助電源的小型化及輕量化。

DC600V輔助供電系統（圖9）是將DC1500V高壓電轉換成DC600V、AC380V以及DC110V，為空調、通風機、空氣壓縮機、蓄電池充電器以及照明等輔助設備提供電源。DC600V輔助供電系統的各種電氣設備按功能、電壓等級可分為高壓輸入回路、輔助電源箱、中壓母線回路、低壓母線回路、列車負載供電回路以及DC24V電源。對于表4中6節編組的城市軌道交通車輛輔助電源，在引入DC600V供電制式后，由于空調直接從DC600V取電，AC380V逆變電源的設計容量由原來的單臺190 kVA降低到了65 kVA。該指標的降低無論是對變流單元還是輸出三相LC濾波回路，都起到了減小尺寸和質量的作用。此外，采用DC600V直流供電技術，還促進了中高頻大功率DC-DC輔助電源的推廣應用。

3 總結與展望

本文對節能技術在城市軌道交通車輛牽引傳動系統中的應用進行了研究，結合研究團隊的最新研究成果，重點介紹了SiC功率器件、永磁同步牽引傳動、中高頻大功率DC-DC輔助變流、DC600V直流供電4種技術的現狀和應用特點。SiC器件具有工作頻率高、耐高溫、低損耗等性能優勢，可以給包括牽引變流器和輔助變流器在內的功率變換裝置帶來革命性改進，使得新一代變流系統在效率、小型輕量化、控制性能等方面具備明顯優勢。永磁同步牽引電機與異步牽引電機相比，不僅在效率方面有巨大優勢，而且在功率密度、轉矩特性、可維護性等方面也優于后者。中高頻大功率DC-DC輔助變流技術的應用，使得變壓器更小、更輕;降壓斬波后的直流電壓較低，對器件耐壓等級的要求也較低，開關損耗也因此降低;加上使用諧振軟開關技術，進一步提高了系統效率。DC600V直流供電技術通過優化整車電能轉換環節，不僅在輸出上適應了新型負載對輔助供電系統的要求，而且可以大大減小AC380V的逆變電源的設計容量，從而實現小型、輕量化設計。

城市軌道交通牽引傳動系統中節能技術的發展已經取得諸多成果，但仍有一些亟待解決的技術問題。例如，SiC功率器件目前仍難以大規模商業應用，永磁同步電機的設計與控制技術尚不成熟，目前針對牽引系統各部分的節能研究缺乏系統性。今后應該從這些方面著手，逐步優化城市軌道交通牽引傳動系統中的節能技術。

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收稿日期 2019-08-19

責任編輯 蘇靖棋