城市軌道交通低碳節能技術研究

劉猛、陸遠基

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

城市軌道交通（簡稱城軌）是電氣化運營的大運量公共交通系統，隨著我國城市軌道交通行業的發展，截至2020年底，我國運營城市軌道交通線路里程近8000km。城軌行業的發展，伴隨著行業碳排放總量的持續上漲，與節能降耗、碳達峰的矛盾日漸突出。因此，需要從城市軌道交通行業角度，探索行業節能降耗的技術路線，以推動行業的高質量健康發展。

1 城市軌道交通關聯系統

城市軌道交通列車運營主要由供電、信號、車輛等多個專業共同組成。車輛是旅客運輸的載體，車輛的耗能主要體現在列車牽引輔助系統。車站環控設備主要是指站內的照明、空調、電梯等相關設備。

城軌供電系統一般由交流高壓、牽引供電、低壓動力照明等系統組成。牽引供電系統按電壓等級，一般可分為DC1500V、DC750 兩種。其中，DC750V 系統僅在北京、昆明、天津等城市應用，如北京房山線、昆明1 號線等。以DC1500V 系統為例，牽引變電所從市電35kV 電網取電，經降壓變壓器、整流器、直流開關柜等設備輸出穩定的DC1500V。牽引變電所二極管整流供電系統拓撲結構圖（見圖1）。

圖1 二極管整流供電系統拓撲

牽引變電所采用整流裝置，實現交流電源到直流牽引電源的轉換，由于采用二極管整流，系統只能實現能量的單向流動。列車制動時產生的能量，大部分被車載制動電阻以發熱的形式消耗，進而導致隧道內熱量的積累，使隧道溫度上升。近年來，地鐵公司開始在降壓變壓器與直流母線之間，新增能量回饋裝置，用于列車制動能量的回收，較好地解決了既有線路的電制動能量的消耗問題。

城軌信號系統一般由車載信號設備和地面信號系統組成，是支撐列車運行的核心，通過ATC 控制系統，實現對列車的運行控制。為保證列車的正常運營，列車準點率和精準對標是信號系統的首要目標。

城軌列車牽引系統主要由受流裝置、高速斷路器、牽引逆變器、牽引電機、制動電阻等組成。以架空線受流為例，DC1500V 經受電弓給列車牽引系統供電，每個受電弓給兩輛動車牽引逆變器提供電源，牽引系統利用輪軌黏著條件，根據列車當前載荷，自動調整牽引力的大小，驅動列車在不同載荷下以固定加速度啟動。當列車處于制動工況時，優先使用電制動，通過受電弓將電制動能量回饋給直流電網，當電網不能吸收時，通過制動電阻消耗掉多余的電制動能量。

2 節能降耗技術研究

行業內針對城軌列車節能降耗的措施，主要立足車輛角度，從輕量化設計、減小列車阻力、再生制動的應用以及信號系統列車節能駕駛等角度制定實施改進。從城市軌道交通各相關專業出發，從頂層設計角度探索城軌行業節能降耗的技術路線。

2.1 雙向變流供電系統

牽引變電所供電系統，行業內首選方案為二極管整流供電系統，輸出電網電壓波動范圍DC1000～DC1800V，最高電壓DC1950V，能量只能單向流動且提高了列車牽引系統對電網電壓的適應難度。雙向變流供電系統（見圖2），通過雙向可控變流技術，實現了能量的雙向流動，減少了新增能量回饋裝置產生的成本。

圖2 雙向變流供電系統拓撲

雙向變流技術通過實時控制輸出直流電壓，可以實現輸出電壓的精準控制，為車輛提供穩定的直流輸入電壓，解決了二極管整流供電系統下功率因素低、無功功率返送、直流電壓波動等問題。同時，利用雙向變流供電系統穩定的直流輸出電壓特點，可采用更高電壓等級，提高單個牽引變電所的供電距離，減少全線牽引變電所的初期投入。

電壓等級的升高，牽引電機和牽引逆變器等效工作電流降低，牽引系統及線路的熱損耗下降，可有效降低列車的牽引能耗。對國內某地鐵線路進行列車運行仿真計算，對比列車在DC1500V、DC1800V 網壓下，列車的牽引能耗（見圖3）。

圖3 不同電壓下牽引能耗仿真計算

在相同線路、相同載荷、不同網壓下，對列車進行線路仿真計算。 在不考慮電制動能量回饋下，DC1800V 網壓下的牽引能耗，較DC1500V 網壓下的牽引能耗有較明顯的降低（見圖3）。同時，電壓等級的提高，可以降低全線直流弓網電流，進一步降低線路損耗。由于DC1800V 網壓處于既有地鐵供電線路的網壓范圍內，不會對土建、供電設備產生任何影響，無需改變土建施工的既有標準，擁有很好的市場推廣基礎。

雙向變流供電系統應用后，可實現電制動能量100%回收，電制動能量全部回饋至高壓交流電網。對列車而言，可取消制動電阻，在實現車輛的輕量化、降低能耗的同時，可以減少隧道內熱量的積累，進一步減少站內空調對制冷量的需求，降低車站環境控制設備的能耗。

2.2 列車牽引系統

城軌列車牽引系統是實現列車牽引運行的執行系統，通過響應信號系統的控制指令，實現列車的牽引控制，是列車牽引能耗的直觀體現。從牽引系統角度降低能耗的技術路線，主要考慮更加高效的牽引系統。

永磁同步牽引電機因為轉子采用永磁材料勵磁，轉子沒有損耗，具有高功率密度、高效率、高功率因素的特點。永磁同步電機低速段的高效特性，與城軌列車頻繁啟動的工況契合，可以大大提高系統傳動效率，在減少牽引能耗的同時，增加電制動工況下的能量回饋。長沙地鐵1 號線永磁牽引系統的應用，經第三方評估，相比異步牽引系統綜合節能接近30%。

下一代功率半導體SiC 器件以其高耐壓、高頻、耐高溫等特性，驅動了牽引變流器高效、高功率密度和輕量化。在實現牽引效率的進一步提升的同時，實現了列車進一步的輕量化，促進城軌列車的節能降耗。

2.3 高效輔助系統

列車輔助系統主要是給空壓機、風機、空調、壓縮機等設備提供AC380V 電源，同時對列車照明、廣播、PIS 及車載控制系統提供DC110V 電壓。列車運營時，輔助系統為長時工作制，輔助逆變器的效率，直接制約了列車輔助系統的能耗升級。

工頻兩電平輔助逆變器采用DC/AC 直接逆變技術，輸出端通過工頻變壓器隔離，得到穩定的三相交流輸出電源。技術成熟可靠，但整機效率較低（一般在90%左右），長時間工作下，熱損耗的能量較高。高頻輔助逆變器的開發，采用軟開關技術、多電平技術，提高整機效率（一般大于93%），降低輔助系統運行過程中的熱損耗，減少電能的消耗。同時，高頻輔助逆變器的技術，大幅度降低了磁性元件的體積重量，實現整機的輕量化、小型化設計，進一步實現列車的輕量化。

2.4 最佳控車策略

城軌列車信號系統通過ATO 模式控車，代替了司機人工駕駛模式。為了響應綠色低碳發展，通過列車自動駕駛（ATO）技術和自動監控（ATS）技術，研究列車節能調度控制策略，根據線路條件，自動跟隨最佳節能調度運營。為進一步探索最佳控車策略，聯合信號、車輛、TCMS、牽引等多系統協作。根據線路條件、列車實時響應特性及牽引系統效率特性，選擇更合適的加減速控制，并最大限度地利用列車惰行。

在工程應用階段，基于實際線路，對列車采取最小運行時間曲線、惰行運行曲線、節能運行曲線等策略進行控制。通過對比列車的能耗特征，在滿足安全與精準對標的前提下，選擇最佳的控車策略，充分利用列車惰性節能（見圖4）。

圖4 最優控車模式關聯系統圖

對國內某地鐵線路進行仿真計算，對比列車在不同控車模式下，列車的牽引能耗。以列車旅行速度為目標，根據線路條件采取節能運行模式時，可以更大限度地利用列車惰行，從而降低列車的牽引能耗（見圖5）。

圖5 不同控車模式下牽引能耗仿真計算

在相同線路、相同載荷、相同網壓下，采用快速運行模式和節能運行模式對列車進行線路仿真計算。在不考慮電制動能量回饋下，節能運行模式可以充分發揮列車惰性節能的優勢，相比快速運行模式下的牽引能耗有明顯降低，如圖5 所示，以此次選擇的線路條件和列車特性為參考，列車牽引能耗下降接近一半。基于列車牽引制動特性和運營時刻圖，通過信號調整列車運行曲線實現節能。

2.5 其他技術研究

城市軌道交通的低碳節能發展，還可考慮節能坡的設計，將列車進出站區間段設計為上坡進站，下坡出站，利用列車重力勢能實現列車的減速、加速。在既有采用二極管整流供電系統的線路上，在配置能量回饋裝置的同時，合理考慮儲能裝置的接入，可有效實現列車能量的削谷調峰，實現列車瞬時大級位制動時的能量全回收。隨著新能源的成熟應用，城市軌道交通作為公共交通設備，在城市中具有豐富的土地資源，特別是車輛段和高架橋車站，可引入光伏發電作為車站用電，充分利用光照條件，引入綠色清潔能源，降低行業對電網電能的需求。

3 結語

探索城市軌道交通的低碳節能發展技術方案，能有效促進行業高質量快速發展。本文立足城市軌道交通，針對供電、信號、車輛、土建等多專業方向，提出低碳節能發展的技術方案和路線。同時在雙碳背景下，基于各系統的關聯關系，為城市軌道交通項目初期頂層規劃設計提供指導，推動行業的低碳發展。