軌道交通工程雙向變流器技術應用工程造價經濟性分析

摘要 雙向變流器作為近年來城市軌道交通工程中的新興技術，在提高城市軌道交通能效方面發揮了重要作用，具有很好的推廣前景，該文介紹了不同雙向變流器的應用工程配置方案，并相應模擬了軌道交通工程中不同方案下投資費用差異情況，分析結果表明：雙向變流器的經濟性突出，具有較好的推廣應用價值。

關鍵詞 雙向變流器；軌道交通；工程造價

中圖分類號 U231 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0188-03

0 引言

盡管與傳統公眾交通方式相比，城市軌道交通工程具有能源清潔、綠色環保的顯著優勢，但隨著城市軌道交通工程在國內的快速發展，截至2023年底，中國大陸地區59個城市開通城市軌道交通，運營線路338條，運營總線路11 224.54 km，運營城市的增加和運營線路的逐年攀升，城市軌道交通工程的能耗問題已經逐漸凸顯。其中，軌道交通工程中列車制動能源的消耗問題成為關注的重點。目前常規的解決方案包括電阻吸收、電容儲存、逆變器等，這些方案在國內北京、廣州、重慶等多個運營線路中均有應用，其中，由整流機組和再生能饋裝置組成的逆變器方案應用最為廣泛，在提高城市軌道交通能效方面發揮了巨大作用[1]，但也逐步暴露出設備占地面積較大，過載能力一般，直流網壓波動大[2]，提高電能效率欠佳等問題。

應對上述缺點，響應國家“碳達峰、碳中和”的號召，雙向變流器技術方案逐步在寧波、紹興、徐州等城市中得到應用。雙向變流器技術方案不僅可以在列車制動時吸收制動能量，還可以在列車啟動和運行時提供能量，并具有整流功能。事實上，雙向變流器同時具有整流器和逆變器功能，并具有取代整流器單元的功能，這是牽引設備在未來供電系統中的發展方向。

由于該技術方案的應用尚處于初步階段，在國內城市軌道交通工程的應用線路不多，目前對雙向變流器的研究多集中在安全性、穩定性和可靠性上，對該技術方案的工程造價經濟性分析較少。事實上，對于雙向變流器這一新技術的應用和推廣，合理的工程造價經濟型分析十分重要。投資控制過于寬松，工程造價過高，則建設單位望而生畏，審批難度增大，新技術應用積極性消減；投資控制過緊，工程造價過低，則廠商無利可圖，新技術推廣積極性下降。因此，系統全面地研究不同雙向變流器技術方案的應用情況下，得出其主要技術經濟指標及優勢，對于雙向變流器的投資控制、方案推廣具有重要的應用價值。

1 雙向變流器技術的技術優勢

雙向變流器是由直流母線電容、逆變橋、濾波器等大功率全控型器件組成的大功率變流設備，提供牽引穩壓、制動能量回饋和無功補償等功能，既能向城市軌道交通列車提供驅動電能，又能最大限度地吸收運行列車制動過程中釋放的再生電能，達到快捷高效的電能雙向轉換[3]。

與傳統方案相比，雙向變流器可根據線路上的列車運行情況，自動、平滑地切換整流、逆變運行模式，與列車的牽引/制動工況自動適應，列車運行平穩；采用雙向變流供電顯著改善了列車網壓的波動，避免了列車網壓低于1 500 V的情況，能夠顯著改善列車的牽引特性[4]。

同時，設備功能集中全面，是對原有整流機組的牽引供電功能、再生能饋裝置的制動能饋功能和SVG的無功補償功能的整合集成；供電能力提升，可增加供電距離，減少城軌全線路中牽引降壓變電所設置數量；采用全控型大功率設備，實現直流網壓穩定可調，就近取流，降低線路損耗，降低運營和維護成本；能結合城市軌道交通運行實際進行無功補償參數的設置，自動實現城市軌道交通供電系統的無功補償[5]；設備數量減少，體積小，能將不同運行工況下制動電能就近反饋至電網，能饋系統可自動取消制動電阻，并能為牽引輔助供電功能提供對應的容量，因此占地面積也相對較少，減少車站土建費用。

雙向變流器節能優勢顯著，通過主動控壓功能提高牽引網壓，降低網壓波動，限制越區供電，從而減少牽引電流，降低接觸網損耗，此項可以節約5%牽引電能，在車輛制動能量回饋吸收方面，同等條件下，比常規再生能饋裝置的回饋比例更高，雙向變流器能夠回饋吸收15%以上的電能，通過上述兩項，雙向變流器的應用比整流機組節能超過20%的牽引能量。

2 雙向變流器技術在軌道交通工程上的應用

由于雙向變流器在列車制動能源消耗問題解決上的顯著優勢，該技術方案在國外城市軌道交通中已經廣泛應用，例如2015年英國倫敦地鐵維多利亞線，2020年巴拿馬地鐵2號線，2020年沙特利雅得5、6號線等等，但是國內的全線應用尚在少數。

常規牽引降壓變電所方案：采用2套整流機組基礎上配合1臺再生能饋裝置，提高列車制動能源的能耗。

目前主要設想的雙向變流器在城市軌道交通工程的應用方案分為三種[6]。

方案一：“2+1”，在原有的采用2套整流機組基礎上，新增1套雙向變流器裝置，該方案優點是能顯著擴大牽引容量，但是缺點很明顯，額外增加1臺設備導致需要預留相應的設備安裝空間，在土建和機電投資上都會顯著增加，因此該方案目前在國內既有線路的應用主要為試驗目的，應用在新建線路的個別站點，驗證雙向變流器的功能和安全。該方案若作為擴容目的，在既有運營上投入使用，也需要考慮是否有相應的設備安裝空間，因此局限性較大。

方案二：“1+1”，采用1套雙向變流器裝置替代原有1套整流機組+1臺再生能饋裝置，與另外1套整流機并聯入網，該方案優點是系統的供電結構只產生了部分性變化，原有方案經驗和技術穩定性得以部分保留，同時雙向變流器的引入，也使得技術上更為靈活先進，雙向變流器的優點也得以發揮。

方案三：“0+2”，采用2套雙向變流裝置完全替代原有的2套整流機+1臺再生能饋裝置，并聯入網，由于雙向變流器是對原有整流機組的牽引供電功能、再生能饋裝置的制動能饋功能和SVG的無功補償功能的整合集成，該完全替代方案會使原有的城軌供電系統的結構發生全面改變，使得雙向變流器的技術優勢完全發揮。

3 雙向變流器供電方案造價分析

3.1 工程概況模擬

某地鐵線路全長約30 km，全地下鋪設，設采用地下連續墻圍護結構的兩層地下車站24座，車站平均建筑面積15 000 m2。全線速度目標值為80 km/h，初期采用4B編組。牽引供電系統采用直流1 500 v接觸網供電方式，全線擬采用全自動駕駛模式。

3.2 不同供電節能方案下單個牽引變電所設備費用差異分析

參考相關設計標準及規范，模擬不同供電節能方案的牽引降壓變電所設備及造價，如表1所示。

考慮牽引變電所設備主材較多，同時影響投資技術經濟指標的主要為設備價，為方便研究，凸顯重點，表1中不同方案的經濟性對比，僅考慮差異設備的影響，剔除不同方案下相同設備、主材使用數量的區別影響。

由上述不同供電節能方案變電所設備及造價可知，當使用方案一時，區別僅在于雙向變流器替代了再生能饋裝置，因此相較于常規牽引變電所方案，牽引降壓變電所增加50萬元/座；當使用方案二替代常規牽引變電所方案時，雙向變流器能替代再生能饋裝置實現相關功能，同時由于整流器柜數量減少1臺，牽引降壓變電所減少10萬元/座；當使用方案三時，由于兩套雙向變流器的使用，整流器功能和再生能饋裝置功能由雙向變流器集成，設備數量有所減少，但是雙向變流器設備費較高，導致該方案下牽引降壓變電所增加150萬元/座。

3.3 不同供電節能方案下牽引降壓變電所總費用差異分析

參考相關設計標準及規范，基于下述假定，模擬本線不同供電節能方案下正線牽引降壓變電所總費用情況，如表2所示。

假定1：由于雙向變流器集成了相關設備，導致設備數量減少，設備用房的建筑面積也可相對減少，經測算，一般情況下，單座牽引降壓變電所的建筑面積在420 m2

左右[7]，在使用一套雙向變流器替代一套整流機組時，每座牽引降壓變電所建筑面積能減少約20 m2，因此方案二和方案三分別能減少設有牽引降壓變電所的車站建筑面積約20 m2和40 m2。

假定2：按照車站為采用地下連續墻的地下兩層標準站考慮，車站土建工程費用每平方米造價約1.65萬元。

假定3：由于按照方案三設置兩臺雙向變流器后，供電能力提升，單座牽引降壓所的供電距離有所提升，可以減少本線地下車站中設置牽引降壓變電所的數量，該次模擬按照減少1座正線牽引降壓變電所考慮。

經計算可知，與傳統牽引降壓變電所設置方案相比，方案一由于新增了一臺雙向變流器替代再生能源回饋裝置，導致不論是機電費用還是總費用都是最高的；相反，雖然方案三設置了兩臺雙向變流器導致單座牽引降壓變電所機電費用增加，但是由于牽引降壓變電所數量的減少和土建面積的減少，導致方案三的總費用最低，經濟型最佳；而方案二則介于方案一和方案三之間，值得一提的是，與常規牽引降壓變電所方案相比，方案二費用更低。

結合單個牽引變電所設備費用差異分析情況，分析得知：在使用方案二替代常規牽引降壓變電所方案時，單座牽引降壓變電所能減少10萬元（設備費）+33萬元（土建費），總計43萬元/座，無論全線牽引降壓變電所數量是否因使用雙向變流器而減少，經濟性較常規方案優勢明顯；在使用方案三替代常規牽引降壓變電所方案時，費用更低的原因主要是由于牽引降壓變電所減少1座，因此若線路長度較短，牽引降壓變電所設置數量并不能減少時，經濟性并不明顯，相反隨著線路長度增加，牽引降壓變電所設置數量若能進一步減少，則經濟性會進一步凸顯。

4 結語

該文從雙向變流器的技術優勢出發，模擬了城市軌道交通工程中三種不同雙向變流器技術方案下的技術經濟指標和費用情況，并與常規制動能源解決技術方案進行對比，主要得到以下結論：

僅考慮單個牽引變電所設備費用時，不同供電節能方案下，使用一臺雙向變流器替代一臺整流機組的方案，費用最低，設備費用減少10萬元/座；在常規方案基礎上增設一臺雙向變流器的方案會導致設備費用增加約50萬元/所；而使用兩臺雙向變流器替代兩臺整流機組的方案，費用最高，設備費需要增加約150萬/所。

使用一臺雙向變流器替代一臺整流機組+再生能饋裝置的方案，較常規方案設備費用和土建費用都有所減少，單座牽引降壓變電所減少43萬元，經濟性明顯。

從模擬的城市軌道交通全線工程角度來看，不同供電節能方案下，使用兩臺雙向變流器替代兩臺整流機組的方案由于降低了土建成本和牽引降壓所設置數量，總費用最低，經濟性最佳，而在傳統方案基礎上增設一臺雙向變流器的方案，會導致費用增加，是所有方案中最不經濟的方案。

由分析可知，若線路長度較長，使用兩臺雙向變流器替代兩臺整流機組的方案時，能減少全線牽引降壓變電所設置數量時，經濟性最佳，推薦使用該方案；若線路長度較短，使用雙向變流器并不能減少全線牽引降壓變電所設置數量時，則推薦使用一臺雙向變流器替代一臺整流機組+再生能饋裝置的方案，更有利于節省投資。

綜上所述，結合不同線路特點，采用不同的雙向變流器方案能滿足城市軌道交通項目節能減排，降低造價的發展方向，雙向變流器技術具有進一步推廣應用的實踐價值。

由于該文在考慮雙向變流器技術方案時，土建費用的減少是在理想狀況下對車站建筑面積的減少，實際車站設計時受車站建筑方案布置的影響，并不一定能完全將設備占地面積減少的優勢完全體現出來，因此是一種理想狀態下的模擬，實際方案比選時可以進行更細致的研究。

參考文獻

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[7]王立勇.城市軌道交通工程技術經濟指標[M].北京：中國建筑工業出版社， 2016.

收稿日期：2024-08-02

作者簡介：劉浩杰（1993—），男，碩士研究生，工程師，從事城市軌道交通工程經濟工作。