基于城市軌道交通供電系統的節能降耗技術研究

摘要 城市軌道交通是現代城市中重要的交通方式之一，其供電系統對于城市能源消耗和環境保護有著重要的影響。文章基于對城市軌道交通供電系統中節能降耗技術的研究，分析了城市軌道交通供電系統電能消耗和供電系統存在的能耗高、效率低和污染大等耗能現狀問題，從采用高效率、低損耗的牽引變流器、采用電能回收技術、智能控制技術和采用新型供電設備及加強運行管理等方面探討了城市軌道交通供電系統節能降耗技術的應用。研究表明，這些技術可以有效降低城市軌道交通系統的能耗，提高能源利用效率，減少對環境的污染。

關鍵詞 城市軌道交通；供電系統；節能降耗

中圖分類號 U239.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）08-0010-03

0 引言

城市軌道交通是現代城市運行的重要公共交通方式，供電系統是保障其正常運行的必需基礎設施之一[1]。然而，城市軌道交通供電系統的能源消耗量較大，不僅造成了能源浪費，還給環境帶來了不可忽視的負面影響。因此，對于城市軌道交通供電系統的節能降耗技術進行研究，具有重要的現實意義。

1 城市軌道交通供電系統電能消耗分析

城市軌道交通供電系統的電能消耗涉及多個方面，其中最主要的是列車牽引。列車牽引能耗受到列車運行狀態、線路等級、信號系統等因素的影響。例如，列車的加速度和制動程度會直接影響牽引能耗的大小。在牽引過程中，電機所需的電能與列車的重量和速度成正比，因此重載列車在同樣的路段上所需要的牽引能量比輕載列車更大[2]。此外，牽引能耗還與線路等級相關，線路坡度越大，列車在上坡時需要的牽引能量越大，下坡時則可以通過回收能量來降低能耗。

在城市軌道交通系統中，列車制動是能耗比較大的環節之一。當列車需要減速或停車時，制動系統會將列車動能轉化為電能，并通過電阻器將電能轉化為熱能散失掉。這種方式會導致能量的大量浪費。

除了列車本身的牽引和制動，城市軌道交通系統中輔助設備的能耗也是不可忽略的。這些設備主要包括照明、通風、空調等。其中，空調的能耗相對較高，特別是在夏季高溫時，空調的能耗會更大。這是因為地鐵上的人流密集和空間的封閉，往往會造成車內的高溫和濕度，而空調系統需要不斷地制冷和除濕以保持車站內的舒適度。

總的來講，城市軌道交通供電系統的電能消耗比較大，主要集中在列車牽引和輔助設備上，其中牽引是占用最多能源的環節，而列車制動可以通過電能回收技術回饋到供電系統中減少能量浪費。因此，采用一系列技術措施和管理方法，優化供電系統，降低能耗，提高能源利用效率是非常重要的。

2 供電系統耗能的現狀問題

城市軌道交通作為現代城市交通的重要組成部分，對城市發展和人們出行起著至關重要的作用。然而，城市軌道交通供電系統的現狀問題比較明顯，主要表現為能耗高、效率低和污染大等方面。

首先，城市軌道交通供電系統的能耗較高，不僅會帶來經濟上的成本壓力，還會對環境造成一定影響。據統計，全球城市軌道交通系統的能耗占全社會能耗的比重約為2%左右，我國城市軌道交通系統的能耗占全國城市用電總量的比重也在逐年上升。其中，城市軌道交通供電系統的能耗占比約為60%左右，而牽引系統的能耗占比最高，可達到70%以上。城市軌道交通供電系統能耗高的問題是由多種因素引起的。首先，軌道交通列車需要大量的電力來保持正常運行，其中牽引系統所需的能量占據了供電系統能耗的絕大部分，這是能耗高的主要原因。其次，由于供電系統采用的是直流輸電，輸電過程中存在能量損耗和浪費現象，進一步增加了能耗。此外，供電系統中的配電變壓器、電容器等設備也需要消耗一定的能量，而這些能量損耗也會導致能耗增加[3]。城市軌道交通供電系統能耗的增加不僅會帶來經濟成本壓力，還會對環境造成一定影響。

其次，城市軌道交通供電系統的效率相對較低。城市軌道交通供電系統的效率問題主要表現在列車能量的損失和能量回收方面。在列車行駛過程中，制動時回收的能量只能轉化為電能的一部分，并不是全部都能夠供給列車使用。這部分無法回收的能量就被浪費了。此外，城市軌道交通系統的輔助設備，例如車站照明、空調等也會消耗大量的能量。這些設備的能耗雖然相對較低，但是由于數量眾多，也會對整個系統的能源消耗產生一定的影響。由于城市軌道交通系統的效率相對較低，導致系統需要消耗更多的能源才能夠維持正常運營，這也增加了系統的運營成本。因此，城市軌道交通供電系統需要提高效率，減少能源的浪費，降低運營成本。

綜上所述，鑒于城市軌道交通供電系統的現狀，需要加強技術創新和管理創新，提高供電系統的效率和能源利用效率，減少污染和浪費現象，實現可持續發展。

3 城市軌道交通供電系統節能降耗技術應用

針對城市軌道交通供電系統存在的問題，可以采取多種節能降耗技術加以改善。

3.1 采用高效率、低損耗的牽引變流器

牽引變流器作為城市軌道交通系統的關鍵設備，其能效性對于系統的整體能源利用效率具有重要影響。傳統的牽引變流器通常采用的是普通的整流變壓器，存在較大的能量損耗，導致了系統的能耗較高，同時也增加了設備的熱量產生和運行成本。而高效率、低損耗的牽引變流器則采用了現代電力電子技術，如可控硅整流、IGBT等技術，具有更高的轉換效率和更好的逆變控制能力。可控硅整流技術是一種將交流電轉換成直流電的技術。當交流電輸入可控硅整流器時，可控硅整流器會將交流電變成帶有脈沖的直流電，避免傳統的電阻電容電路中電能的浪費。IGBT技術則是現代電力電子技術中的一種晶體管，能夠更好地控制電流流動，從而提高變流器的轉換效率。在列車制動時，IGBT技術可以將制動時產生的電能回收并轉換成可供列車使用的電能，從而實現了能量的再利用。總體來說，這些技術的應用可以使能量轉換的效率達到90%以上，相較于傳統的牽引變流器，能夠減少相當一部分的能耗損失。此外，高效率、低損耗的牽引變流器在體積和重量上也更加輕巧，可以降低系統的運行成本和空間需求[4]。

因此，采用現代電力電子技術設計和制造高效率、低損耗的牽引變流器，可以大幅度地提高城市軌道交通供電系統的能源利用效率，降低能耗和環境污染。

3.2 采用電能回收技術

城市軌道交通系統在列車制動時會產生大量的電能，傳統的供電系統無法回收這些電能，導致能量浪費。采用電能回收技術，可以將列車制動時產生的電能回饋到供電系統中，減少能量浪費。

電能回收技術是一種能夠將列車制動時產生的電能回饋到供電系統中的技術。這一技術主要通過在軌道上鋪設回收裝置來實現，回收裝置包括能量回收單元、儲能單元、逆變器等。當列車制動時，能量回收單元將制動能量轉化為電能并儲存到儲能單元中。儲能單元可以采用超級電容或蓄電池等方式，將儲存的電能進行存儲，以便在需要時使用。逆變器將儲存的直流電能轉化為供電系統所需的交流電能，并回饋到供電系統中[5]。這一過程中，能量的轉化和存儲以及逆變器的轉換均需要電力電子器件進行控制和實現。

總之，采用電能回收技術可以將列車制動時產生的電能加以回收利用，減少能量浪費，提高能源利用效率。此外，電能回收技術還可以降低城市軌道交通系統的能耗和碳排放，為可持續發展作出貢獻。

3.3 采用智能控制技術

智能控制技術是一種重要的技術手段，可以使城市軌道交通系統的供電系統實現自動化調節和優化，從而提高能源利用效率和運行效率。該技術主要涉及傳感器技術、通信技術和控制算法等方面。

傳感器技術是智能控制技術的基礎。它可以實時感知列車的運行狀態、能耗等數據，并提供精準的數據支持。通過傳感器技術，供電系統可以獲得關于列車運行情況的實時數據，包括列車的位置、速度、加速度等。這些數據可以幫助供電系統及時調整供電參數，提高能源利用效率。

城市軌道交通系統中的供電設備需要實現遠程監控和控制，這需要可靠的通信技術支持。目前，常用的城市軌道交通供電系統通信技術主要包括有線通信和無線通信兩種。有線通信采用光纖、電纜等傳輸介質進行數據傳輸，具有傳輸速度快、傳輸質量穩定等優點，但安裝和維護成本較高。無線通信采用無線電波傳輸數據，具有覆蓋范圍廣、安裝維護成本低等優點，但可能受到干擾和不可靠性的影響。為了提高通信的可靠性和安全性，城市軌道交通供電系統的通信技術需要采用加密和防護等安全措施。

控制算法是智能控制技術的關鍵。通過對供電系統控制算法的優化和調節，可以實現智能化控制和優化。該技術可以最大限度地提高能源利用效率，降低能耗。例如，通過優化供電系統的供電模式和牽引模式，實現能量回收和再利用，從而降低能耗。同時，控制算法可以幫助供電系統進行故障檢測和故障診斷，提高系統的可靠性和安全性。

總之，智能控制技術在城市軌道交通系統中的應用，可以實現供電系統的自動化調節和優化，提高了系統的能源利用效率和運行效率。該技術還可以減少人為操作的干擾和誤操作，提高系統的可靠性和安全性。未來，隨著智能控制技術的不斷成熟和完善，它將為城市軌道交通系統的可持續發展提供有力的支撐和保障。

3.4 采用新型供電設備

新型供電設備的應用可以大幅度地提高城市軌道交通系統的能源利用效率和運行效率。

首先，新型變電站是將高壓電能轉換為適用于城市軌道交通系統的低壓電能的重要設備。采用新型變電站可以實現電能的高效轉換，從而減少能量的損耗和浪費。例如，現代的變壓器采用高效的電磁鐵芯材料，可以大幅幅度地提高能量轉換的效率和能源利用效率。

城市軌道交通系統的接觸網是傳輸電能的重要組成部分。然而，傳統接觸網存在接觸器與電網之間的電阻和電感等問題，導致能量損耗和浪費。新型接觸網采用高導電性材料，可以降低接觸器與電網之間的電阻，因此，采用這種技術不僅能提高城市軌道交通系統的供電效率，還可以減少環境污染和能源浪費，具有廣闊的應用前景。

其次，城市軌道交通車輛的輕量化也是一種有效的節能降耗技術。常見的輕量化材料包括鋁合金、碳纖維復合材料等，這些材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕等特點。使用這些材料可以減少車輛自重，降低牽引能耗，提高車輛運行效率。除了采用輕量化材料，還可以通過減少車輛設備重量來實現輕量化。這可以通過減少車輛設備、采用節能技術等方式來實現。例如，采用新型的軸箱電機可以替代傳統的輪軸驅動系統，減少車輛重量，提高能效。此外，優化車輛結構也是實現輕量化的有效手段。通過減小車身截面積、優化車身外形等方式來降低風阻，可以降低車輛的牽引能耗。同時，對車輛空氣動力學特性的優化也可以進一步提高車輛運行效率，降低能耗。

最后，采用智能接觸器和智能監測系統可以實現接觸網的自動化控制和監測，提高接觸網的能源利用效率。智能接觸器可以自動調節接觸器與電網之間的電壓和電流，以實現最優能量傳輸效果。智能監測系統可以實時感知接觸網的運行狀態和能量利用情況，提供數據支持和智能化決策，從而最大限度地提高能源利用效率。同時，采用新型變壓器和新型斷路器等設備也可以降低能量損耗，提高能源利用效率。新型變壓器采用高效的電氣絕緣材料，可以提高變壓器的能量轉換效率。新型斷路器采用了先進的電力電子技術，可以實現電力系統的快速斷電和恢復電力，降低能量損耗和浪費。

3.5 加強運行管理

城市軌道交通供電系統需要進行精細化的管理，包括定期檢修和維護設備等環節，從技術層面來減少能耗和提高效率。定期檢修可以及時發現設備的故障或異常，以便進行修復或更換，減少能源浪費。而設備維護則可以保證設備的正常運轉和高效性。維護措施包括對供電系統的各項參數進行監測、檢查和調整，確保供電系統正常運行，并盡可能地減少能耗。

此外，采用遠程監控系統可以實現對供電系統的遠程監測和管理，大大提高了運行管理的效率。通過遠程監控系統，可以實時監測供電系統的狀態，及時發現問題，并進行處理。同時，運用數據分析技術可以對供電系統的數據進行分析和處理，幫助運營方更好地掌握供電系統的運行狀態，以便進行優化管理。

加強運行管理還可以通過人員培訓和管理制度的建立來實現。對供電系統相關人員進行培訓，使其能夠掌握和運用現代管理方法和技術手段，提高運行管理水平和效率。同時，建立完善的管理制度，規范供電系統的運行和管理，加強對能耗和效率的監測和評估，為優化供電系統提供支持和保障。

4 結語

隨著城市軌道交通運營里程的不斷增加，城市軌道交通的能源消耗量也在不斷增加。而傳統的城市軌道交通供電系統存在能量損耗大、能效低、對環境污染大等問題，迫切需要采用新技術和手段來實現節能降耗和環境保護的目標。因此，對城市軌道交通供電系統進行節能降耗技術的研究，對于推進城市交通綠色、可持續發展具有重要意義。

參考文獻

[1]矯世楠. 地鐵供電系統節能降耗技術的應用研究[J]. 中國科技期刊數據庫 工業A， 2021（4）： 116-117.

[2]欒萌琦， 唐華寧， 張如. 基于地鐵供電系統節能降耗技術應用的探討[J]. 中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術， 2021（2）： 205-206.

[3]彭敏， 肖曉. 城軌車輛輔助供電系統節能方案研究[J]. 現代城市軌道交通， 2020（5）： 41-44.

[4]盛錦江. 城市軌道交通供電系統中壓能饋裝置應用分析[J]. 工程建設與設計， 2018（16）： 77-78.

[5]劉偉志， 馬穎濤. 城市軌道交通牽引系統技術發展前景[J]. 鐵路技術創新， 2015（4）： 29-32.