袁登科 周巧蓮 余國華 樊朝暉 呂傳賢

（1.同濟大學(xué)電氣工程系，200092，上海；2.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，201103，上海；3.蘇州星恒電源有限公司，215011，蘇州∥第一作者，講師）

常年處于超負(fù)荷運行狀態(tài)下的城市軌道交通，會使其牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)動作頻發(fā)、供電線路老化加劇、供電安全事故不斷［1］。世界很多大城市已經(jīng)建立了針對城市軌道交通的應(yīng)急救援機制，例如在車站提供了緊急公交車用以疏散大量乘客。但在某些情況下城市軌道交通的供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，列車只能滯留原處等待救援。

本文給出了一種新穎的緊急救援方案：安裝一套車載儲能系統(tǒng)，依靠該系統(tǒng)提供的電能，使城市軌道交通列車在統(tǒng)一指揮下實施自牽引［2－3］，行駛至合適的鄰近車站，而不需要外部救援列車的介入。本方案可以成為城市軌道交通應(yīng)急系統(tǒng)中的一個重要組成部分，可以在第一時間內(nèi)實施有效救援，并可大大提高應(yīng)急救援系統(tǒng)的靈活性。在某些特殊情況下（如短區(qū)域內(nèi)斷電等），仍然可以使城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)保持通暢的運營。

1 具有緊急自牽引能力的列車牽引系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 現(xiàn)有列車牽引電氣系統(tǒng)

以上海軌道交通11號線為例，現(xiàn)有的動車牽引電氣系統(tǒng)示意如圖1所示。圖1中，列車受電弓將1 500V架空接觸網(wǎng)高壓直流電引入動車，先后經(jīng)過5個部分——預(yù)充電電路、線路低通濾波器、過壓抑制電路、牽引逆變器和交流牽引電機。其中，牽引逆變器將直流電能變換成交流牽引電機調(diào)速所需的變壓變頻（Variable Voltage Variable Frequency，簡為VVVF）三相交流電，而牽引電機將電能與機械能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。這兩者是牽引電氣系統(tǒng)的核心。

圖1 現(xiàn)有城市軌道交通列車牽引電氣系統(tǒng)示意圖

1.2 列車緊急自牽引系統(tǒng)

列車緊急自牽引系統(tǒng)（Emergency Self Traction System，簡為ESTS）的方框圖如圖2所示。圖2中粗線表示功率流，細(xì)線表示信號流。ESTS包含能量存儲系統(tǒng)（Energy Storage System，簡為ESS）、接口電路、ESTS控制器和人機界面等部分。其中最為重要的就是車載能量存儲系統(tǒng)。目前，城市軌道交通列車已經(jīng)配置有車載低壓110V蓄電池組，通常為兩組蓄電池，其總?cè)萘考s300Ah。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求［5］，蓄電池在列車故障情況下提供緊急照明和緊急通風(fēng)使用。電池組的功率與能量都比較?。?－7］，不能用于正線列車的自牽引行駛。

圖2 列車緊急自牽引系統(tǒng)方框圖

比較目前技術(shù)成熟且適于列車應(yīng)用的儲能方式，最適宜的依然是蓄電池。常用于列車的蓄電池是鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池。另外，蘇州星恒電源有限公司設(shè)計的國產(chǎn)磷酸鐵鋰離子電池組已于2010年在南京地鐵列車開始使用，經(jīng)受了列車110V低壓系統(tǒng)兼容性和充放電能力等多方面的考驗，使之替代鎳鎘蓄電池已成為可能。三種蓄電池組的對比見表1。

目前，城市軌道交通列車普遍使用的是鎳鎘蓄電池，但是其最明顯的缺點是記憶效應(yīng)和重金屬鎘的污染。從表1的對比中可以看出，鋰離子蓄電池的體積和重量最小，維護(hù)工作少，因而是車載儲能器件的最佳選擇。此外，一組鋰離子蓄電池的價格目前約10萬～15萬元，與SAFT等國外知名的鎳鎘蓄電池相比，鋰離子蓄電池組在價格上并無劣勢。

在列車實施自行牽引中，牽引逆變器采用ESS供電。110V蓄電池難以提供相應(yīng)功率，通?？梢詫⒍嘟M蓄電池進(jìn)行串聯(lián)使用。

表1 城市軌道交通列車110V/120Ah蓄電池組性能比較表

2 列車緊急自牽引系統(tǒng)設(shè)計

2.1 典型工況設(shè)定

由上海軌道交通11號線線路坡道匯總表（見表2）可知，小于10‰坡度的坡道在所有坡道中過半數(shù)，所以列車緊急自牽引的典型運行工況設(shè)定為：列車位于10‰、500m的坡道開始啟動加速（較苛刻的工況），其后是1 000m的平直坡道，列車運行速度為10km/h，負(fù)載設(shè)定為 AW0（空車）、AW2（額定負(fù)載）與AW3（最大負(fù)載）三種。

表2 上海軌道交通11號線的線路坡道匯總表

2.2 工況仿真分析

在MATLAB軟件平臺上，編制仿真軟件對列車的功率與能量需求進(jìn)行仿真。三種負(fù)載工況下的仿真結(jié)果見圖3。在圖3中，從上到下分別為牽引電氣功率Pe、能耗Ee、牽引力F，以及4組110V蓄電池串聯(lián)后在最低電壓下放電電流I的仿真曲線。

圖3 不同工況下仿真波形

2.3 蓄電池系統(tǒng)設(shè)計

圖4 給出了磷酸鐵鋰離子電池在不同放電倍率下的放電特性曲線。按照單節(jié)蓄電池放電電壓到2.6V計算，在3C（放電倍率）下可以進(jìn)行約20min的100%放電。在5C下可以進(jìn)行約11.5min的97%放電。即便按照10C下進(jìn)行放電也可以持續(xù)約5.5min。由此可明顯看出，鋰離子電池在大倍率電流放電時具有良好的庫侖效率。

將4組110V/120Ah鋰離子電池串聯(lián)后供給列車緊急自牽引使用，在AW0負(fù)載下，蓄電池組基本是在3C內(nèi)放電；在AW2負(fù)載下，蓄電池組基本在3.3C左右放電；在AW3負(fù)載下，蓄電池組基本按照4C放電。將圖3與圖4對比可以看出，鋰離子電池的放電能力有較大保留。在AW3負(fù)載的列車緊急牽引工況中，蓄電池的放電深度也僅約30%。這樣，即便考慮到電池組的初始電荷狀態(tài)、老化系數(shù)等因素，4組蓄電池完全可以滿足上述工況的需求。

圖4 磷酸鐵鋰離子蓄電池不同倍率下的常溫放電曲線

3 結(jié)語

針對城市軌道交通列車在外部供電癱瘓情況下的緊急救援，本文給出了在第一時間內(nèi)實施緊急自救的方案——利用車載備用蓄電池組的電能儲備，使動車牽引逆變器驅(qū)動列車行駛。

1）本文給出了具有緊急自牽引功能的城市軌道交通列車電氣系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)需要添加車載儲能系統(tǒng)、接口電路、ESTS控制器與人機界面等部分。

2）在典型工況下，配置4組110V蓄電池組即可滿足列車行駛的功率與能量需求。蓄電池的串聯(lián)組合開關(guān)電路需要經(jīng)過合理設(shè)計。蓄電池組的體積約1.2m3，質(zhì)量約1t，價格約60萬元。牽引用蓄電池位置在牽引逆變器附近為佳。

3）在外部電網(wǎng)故障情況下，即便緊急牽引功能不被激活，車載蓄電池也有足夠功率和能量滿足輔助電氣系統(tǒng)和更長時間的應(yīng)急照明和通風(fēng)使用。

4）蓄電池牽引功能需要在整車設(shè)計時予以充分考慮，以便對自牽引系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，特別是需要妥善解決牽引逆變器發(fā)熱、空氣制動等問題。

5）從目前儲能技術(shù)、電力電子變換技術(shù)及成本等因素看，列車的緊急自牽引方案會在不久的將來得以實施。

［1］李煒.上海地鐵事故原因 電力網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量令人憂［EB/OL］.（2009－12－23）［2011－10－28］.http：∥info.fire.hc360.com/2009/12/231523109167.shtml.

［2］劉君君，袁登科，周巧蓮，等.城軌交通車輛應(yīng)急自牽引系統(tǒng)仿真分析［J］.機電一體化，2011，17（7）：20.

［3］陳勝，袁登科，韋莉，等.城軌交通車輛應(yīng)急自牽引能耗需求分析及仿真［J］.機電一體化，2011，17（6）：48.

［4］GB/T 7928——2003地鐵車輛通用技術(shù)條件［S］.

［5］杜玉峰，劉偉.地鐵電動工程車牽引蓄電池參數(shù)的確定［J］.電力機車與城軌車輛，2004，27（4）：36.

［6］朱玉環(huán).城市軌道交通車輛段蓄電池調(diào)車機車的牽引力計算［J］.城市軌道交通研究，2010（7）：63.

［7］苑豐彪，楊君.鋰離子電池在鐵路客車上的應(yīng)用研究［J］.機車電傳動，2011（3）：23.