■ 劉偉志 馬穎濤

城市軌道交通牽引系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展前景

■ 劉偉志 馬穎濤

城市軌道交通列車牽引系統(tǒng)（包括輔助供電系統(tǒng)）是最主要的用電負(fù)載，節(jié)能空間最大。圍繞節(jié)能降耗，從再生制動(dòng)功率的回收，永磁同步牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和部件的更高效率，輕量化技術(shù)降低車輛載荷，以碳化硅（SiC）為代表的新一代半導(dǎo)體器件應(yīng)用等幾方面展望牽引系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展前景。

牽引系統(tǒng)；儲(chǔ)能吸收裝置；永磁同步牽引系統(tǒng)；輕量化；碳化硅；全生命周期

0 引言

近年來，我國(guó)軌道交通行業(yè)蓬勃發(fā)展。軌道交通不僅是解決大城市交通問題的有效途徑，同時(shí)也為交通領(lǐng)域節(jié)能減排作出重要貢獻(xiàn)。軌道交通主要的能耗是電能，電費(fèi)約占整個(gè)運(yùn)營(yíng)成本的30%。如何進(jìn)一步降低能耗，對(duì)于做好節(jié)能減排工作，落實(shí)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。

車輛是城市軌道交通中最主要的用電負(fù)荷，其中列車牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)為最主要的用電大戶。牽引系統(tǒng)為列車的牽引和制動(dòng)提供所需功率。輔助供電系統(tǒng)為車載設(shè)備供電，特別是通風(fēng)、空調(diào)負(fù)載。據(jù)統(tǒng)計(jì)，列車牽引系統(tǒng)（包括列車輔助供電系統(tǒng)）的用電量約占總用電量的一半，最具節(jié)能潛力（見圖1）。

圖1 城市軌道交通運(yùn)營(yíng)能耗分布

技術(shù)的發(fā)展不僅需要適應(yīng)城市軌道交通自身需求，也需要有利于節(jié)能降耗。對(duì)于列車牽引系統(tǒng)（包括輔助供電系統(tǒng)）的節(jié)能降耗，可以從以下幾個(gè)方面著手：充分利用再生制動(dòng)，儲(chǔ)能吸收裝置回收制動(dòng)能量；以永磁同步牽引系統(tǒng)為代表，提高系統(tǒng)效率和部件效率；輕量化：提高功率密度，降低機(jī)組重量；以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件可能帶來的革命性變化。

1 再生制動(dòng)與儲(chǔ)能吸收裝置

城市軌道交通中，通常站間距較短，列車起停頻繁，制動(dòng)能量可觀。列車在制動(dòng)時(shí)，采用再生制動(dòng)可將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，輸送回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

但是當(dāng)前典型的城軌直流供電都是采用二極管整流方式，再生制動(dòng)能量并不能反饋回電網(wǎng)。因此，除了部分再生制動(dòng)能量可能被同一供電區(qū)段相鄰車輛和本車輔助系統(tǒng)吸收，其余能量只能通過車載電阻或地面電阻釋放。大量的再生制動(dòng)能量被轉(zhuǎn)換為熱能浪費(fèi)掉。尤其在夏天，這些熱量甚至顯著增加了空調(diào)負(fù)荷，進(jìn)一步提高了能耗。

1.1 基本原理

儲(chǔ)能吸收裝置能把上述費(fèi)掉的再生制動(dòng)能量吸收存儲(chǔ)起來，在列車牽引時(shí)釋放出來，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

儲(chǔ)能吸收裝置可以為地面設(shè)備，也可以為車載設(shè)備，其基本工作原理一致。在此主要討論車載儲(chǔ)能吸收裝置。

車載儲(chǔ)能吸收裝置在列車再生制動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)能量，在列車牽引加速時(shí)釋放能量。在無電區(qū)，可以為列車提供動(dòng)力（見圖2）。

圖2 車載儲(chǔ)能吸收裝置原理示意圖

除了節(jié)能，車載儲(chǔ)能設(shè)備還能帶來諸多優(yōu)點(diǎn)：減少車輛對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的沖擊；減少供電基礎(chǔ)設(shè)施的投資；可以使列車在脫離供電網(wǎng)的情況下短時(shí)運(yùn)行，這都為列車的運(yùn)用增加了便利；提升牽引和再生制動(dòng)的能力，例如當(dāng)網(wǎng)壓過高限制了再生制動(dòng)功率時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備可以及時(shí)投入工作，改善列車再生制動(dòng)的發(fā)揮。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

儲(chǔ)能吸收裝置的形式有不同種類：飛輪儲(chǔ)能、蓄電池（鋰電池為代表）、超級(jí)電容，都各具特色。 通常而言，超級(jí)電容適于瞬時(shí)功率特別大的場(chǎng)合；鋰電池適用于儲(chǔ)能能量比較大的場(chǎng)合；飛輪是一種機(jī)械儲(chǔ)能吸收裝置。

當(dāng)前主要的車載儲(chǔ)能吸收裝置情況見表1。在德國(guó)曼海姆有軌電車上，龐巴迪公司的“MITRAC”車載儲(chǔ)能吸收裝置于2003—2007年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明，車載儲(chǔ)能吸收裝置能夠?qū)崿F(xiàn)20%～30%的節(jié)能效果，并可減少50%的峰值功率需求。

車載儲(chǔ)能吸收裝置實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)功率回收和利用，還為車輛帶來了一些新的優(yōu)點(diǎn)。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，未來儲(chǔ)能吸收裝置有著廣闊的前景。

2 永磁同步牽引系統(tǒng)

和當(dāng)前主流的異步電機(jī)牽引系統(tǒng)類似，永磁同步牽引系統(tǒng)是交流傳動(dòng)的另外一條技術(shù)路線。與異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)效率更高，功率密度更高。

2.1 高效節(jié)能

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝有永磁鐵，無需勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子銅耗，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的功率因數(shù)和更低的定子銅耗，基本消除了轉(zhuǎn)子鐵耗。因此永磁同步電機(jī)的效率可高達(dá)97%。相比異步電機(jī)牽引系統(tǒng)，永磁同步牽引系統(tǒng)的效率在全速度范圍內(nèi)均有一定提高。

采用永磁同步牽引系統(tǒng)節(jié)能效果約10%。相關(guān)試驗(yàn)包括：東日本鐵路公司的103系電車20萬(wàn)km的試驗(yàn)；東芝公司的地鐵車輛在東京地鐵的試驗(yàn)；南車株洲所在沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線第20列車M1車上的一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行考核。

2.2 功率密度優(yōu)勢(shì)

與同等級(jí)的異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的體積和質(zhì)量可以減小20%～30%，因此功率密度顯著提高。在同等尺寸和質(zhì)量的條件下，永磁同步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)矩，因此可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，省去了齒輪箱。

可將永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)成全封閉結(jié)構(gòu)（見圖3），運(yùn)行噪聲明顯下降，且免除了清掃電機(jī)內(nèi)部的維護(hù)工作。

表1 車載儲(chǔ)能吸收裝置

2.3 發(fā)展現(xiàn)狀

自2000年以來，歐洲和日本多家公司，如龐巴迪、阿爾斯通、東芝等，陸續(xù)開始將永磁同步電機(jī)作為牽引電機(jī)，現(xiàn)已有批量產(chǎn)品應(yīng)用（見表2），這標(biāo)志著永磁同步牽引系統(tǒng)初步進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段。在國(guó)內(nèi)以南車株洲所為代表，于2012年和2014年，分別在地鐵車輛上和動(dòng)車組上對(duì)其永磁同步牽引系統(tǒng)進(jìn)行考核。

圖3 全封閉永磁同步電機(jī)

永磁同步牽引系統(tǒng)能夠?yàn)檐壍澜煌ǖ墓?jié)能減排作出積極貢獻(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)約10%的節(jié)能效果。但永磁同步電機(jī)的諸多特殊性也決定了該技術(shù)路線在應(yīng)用中存在一些風(fēng)險(xiǎn)，如永磁體失磁風(fēng)險(xiǎn)，牽引系統(tǒng)復(fù)雜性較高，以及系統(tǒng)控制與故障保護(hù)上的特殊性。

迄今為止，還未有永磁同步牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全壽命周期的運(yùn)營(yíng)。因此能否實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)在全壽命周期內(nèi)的可靠運(yùn)行，通過節(jié)能抵消較高的初始成本和其他附加成本，仍需時(shí)間檢驗(yàn)。

3 輕量化

列車牽引系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)是主要的車載設(shè)備。提高車載設(shè)備的功率密度（kVA/kg），降低機(jī)組質(zhì)量，即降低了車輛負(fù)荷，可實(shí)現(xiàn)持久的節(jié)能效果。

功率密度是最能體現(xiàn)變流器綜合技術(shù)水平的指標(biāo)。功率密度越高，即輕量化水平越高，節(jié)能效果越顯著。

表2 永磁同步牽引電機(jī)案例

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

市場(chǎng)上有代表性的輔助變流器產(chǎn)品見表3。不同型號(hào)或平臺(tái)的輔助變流器功率密度從0．09到0．32，差異巨大。日系平臺(tái)的功率密度約為0．1級(jí)別。

普遍來說，誕生年代越新，功率密度越高。如西門子的新一代平臺(tái)MTP_MF比舊平臺(tái)HBU_MT的功率密度從0．1提高到0．14水平。

Knorr的電源子公司Power Tech和SMA的輔助變流器產(chǎn)品功率密度已經(jīng)高達(dá)0．3級(jí)別。

假定既有車輛采用130 kVA的東芝變流器，質(zhì)量為1 410 kg，功率密度0．09。若功率密度提高到0．2和0．3，則將分別減重760 kg和977 kg。

功率密度的提高、機(jī)組的輕量化，已成為車載變流器的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 輕量化的途徑

（1）高頻化。通過采用新器件或者改進(jìn)功率模塊的熱設(shè)計(jì)，提高機(jī)組的工作頻率。即可采用高頻元件替代感性元件，包括變壓器、電抗器和電容器，從而顯著降低設(shè)備重量，提高功率密度。

（2）箱體輕量化。鋁合金由于其質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在鐵路客車尤其是高速動(dòng)車組上得到了廣泛應(yīng)用。采用全鋁合金箱體，或者采用混合材料箱體，盡可能降低箱體質(zhì)量。同時(shí)箱內(nèi)設(shè)計(jì)更加緊湊，減小箱體體積，從而實(shí)現(xiàn)減重。ABB、克諾爾、三菱企業(yè)的車載變流器都采用鋁合金箱體。在追求輕量化的背景下，鋁合金箱體將得到越來越多的應(yīng)用。

工業(yè)界大量的案例表明，越是小巧的產(chǎn)品，越是優(yōu)異和出眾。輕量化的車載變流器可減低車重，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。輕量化將是城市軌道交通牽引系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

表3 城市軌道交通輔助變流器

4 新半導(dǎo)體器件的應(yīng)用

“一代器件決定一代控制”是電力電子領(lǐng)域的共識(shí)。半導(dǎo)體器件的換代將導(dǎo)致變流器發(fā)生革命性的變化。以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件即為下一代功率半導(dǎo)體器件。

當(dāng)前主流的半導(dǎo)體功率器件都是硅（Si）材料，但業(yè)界對(duì)硅材料性能的利用已接近極限。SiC材料作為下一代半導(dǎo)體材料，使得SiC器件具備革命性的優(yōu)點(diǎn)：更高開關(guān)速度、損耗低、耐高溫、關(guān)斷拖尾電流小等。換句話說，SiC器件使得變流器可工作在更高開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)輕量化；器件本身?yè)p耗降低和耐受高溫，使得變流器效率更高或者降低對(duì)冷卻的需求。

近10年來，SiC器件的應(yīng)用成為各大企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。CREE、ROHM、英飛凌、三菱等主流功率半導(dǎo)體公司接二連三推出新一代產(chǎn)品，競(jìng)爭(zhēng)下一代功率半導(dǎo)體器件的主動(dòng)權(quán)。當(dāng)前純SiC器件已達(dá)1 700 V/800 A等級(jí)，混合型的SiC器件已達(dá)1 700 V/1 200 A等級(jí)。該等級(jí)的器件可應(yīng)用于低電壓等級(jí)的功率模塊（600 V DC、750 V DC）。日系企業(yè)（東芝、三菱、日立）均已推出采用SiC器件的地鐵變流器樣機(jī)。

在可預(yù)見的未來，寬禁帶半導(dǎo)體器件必將成為電力電子領(lǐng)域的主流。這將極大地有利于列車牽引系統(tǒng)（包括輔助供電系統(tǒng)）的節(jié)能降耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

圍繞節(jié)能降耗的主題，從4方面展望城市軌道交通牽引系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展前景：

（1）車載儲(chǔ)能吸收裝置回收制動(dòng)能量有20%～30%的節(jié)能效果；

（2）永磁同步牽引系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高效率，有10%的節(jié)能效果；

（3）牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)的輕量化可減少車輛載荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果；

（4）新一代的半導(dǎo)體器件（SiC）對(duì)整個(gè)變流器領(lǐng)域可能帶來的革命性變化。

以上方面并非各自獨(dú)立，而是相互交叉、相互影響的，其技術(shù)成熟水平也不同。儲(chǔ)能吸收裝置相對(duì)比較靈活，既可以對(duì)既有車輛進(jìn)行改造，也可對(duì)地面的供電設(shè)備進(jìn)行改造，但是該技術(shù)能否普及仍取決于儲(chǔ)能技術(shù)能否有重大突破，成本能否顯著降低；輕量化是車載變流器新產(chǎn)品的發(fā)展方向；永磁同步牽引系統(tǒng)已初步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段；SiC器件的成熟應(yīng)用仍需一定時(shí)間。

一項(xiàng)新技術(shù)能否走向普及，不僅取決于技術(shù)成熟水平和節(jié)能效果的高低，更需關(guān)注的是，承載該技術(shù)的產(chǎn)品能否在全壽命周期內(nèi)降低成本。也就是說，除了考慮節(jié)電本身，更要考慮其整個(gè)壽命周期內(nèi)，節(jié)電能否抵消新設(shè)備的投資、可能增加的檢修維護(hù)成本等諸多因素，從而實(shí)現(xiàn)總成本的下降。只有實(shí)現(xiàn)在全壽命周期內(nèi)總成本的下降，這項(xiàng)技術(shù)才有內(nèi)在的生命力。

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劉偉志：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，研究員，北京，100081/ 100094

馬穎濤：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

責(zé)任編輯 盧敏

U260.13；U231

A

1672-061X（2015）04-0029-04