曹虎 董凱 孫叢君 白旭峰 李華 郝帥 何俊鵬

摘 要：牽引傳動系統(tǒng)是城市軌道交通車輛的重要耗能系統(tǒng)，節(jié)能技術(shù)在牽引傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用對于城市軌道交通未來的發(fā)展意義重大。通過結(jié)合城市軌道交通列車能耗仿真軟件對車輛能耗構(gòu)成進行分析，提出牽引傳動系統(tǒng)的主要節(jié)能措施，并重點介紹碳化硅功率器件、永磁同步牽引傳動、中高頻大功率 DC-DC 輔助變流和 DC600V直流供電等節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用特點，以期為節(jié)能技術(shù)在城市軌道交通牽引傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;牽引傳動系統(tǒng);節(jié)能技術(shù);碳化硅功率器件;永磁同步牽引電機;中高頻大功率輔助變流;DC600V直流供電

中圖分類號：U270.35

0 引言

城市軌道交通不僅具有安全、高速、準時、可計劃以及大運量等特點，還有助于節(jié)能減排，建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會。雖然，按同等運能比較，軌道交通的能耗比其他交通工具小，但由于其大運量的特點，其總耗電量仍相當大，依然有節(jié)電潛力。

城市軌道交通車輛牽引傳動系統(tǒng)是一個包括高壓電氣回路、牽引變流系統(tǒng)、輔助變流系統(tǒng)和接地回路等子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)。牽引能耗在城市軌道交通車輛總能耗中占主要部分。新一代功率器件和新型電機的應(yīng)用為提升牽引傳動系統(tǒng)能效提供了基礎(chǔ)條件，新的拓撲和控制方法則有助于最大限度地實現(xiàn)小型輕量化設(shè)計。因此，在設(shè)計和制造此系統(tǒng)時，應(yīng)把握高效、智能化、小型輕量化的發(fā)展方向，綜合分析各子系統(tǒng)相關(guān)的節(jié)能技術(shù)，把節(jié)能分析、節(jié)能設(shè)計、節(jié)能管理緊密結(jié)合起來，從而達到提高綜合能效指標的目的。

1 城市軌道交通車輛能耗構(gòu)成

電能消耗是城市軌道交通系統(tǒng)運營過程中能源消耗的主要形式，主要包括列車運行牽引能耗以及車站動力照明設(shè)備能耗。列車運行牽引能耗即列車運行所消耗的牽引電能，主要包括車輛牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)能耗。根據(jù)對城市軌道交通的用電負荷統(tǒng)計分析，牽引系統(tǒng)能耗占城市軌道交通車輛運營能耗的40%～50%。

定量分析城市軌道交通車輛的能耗影響因素、評估能耗大小、找出節(jié)能突破點，對降低城市軌道交通車輛運輸成本、提升能源利用率、提高經(jīng)濟效益以及維持可持續(xù)發(fā)展都有很現(xiàn)實的意義。為此，中車青島四方車輛研究所有限公司研究團隊（以下簡稱“研究團隊”）開展了城市軌道交通列車能耗成因及機理的研究，并進行了能耗仿真軟件的開發(fā)。該軟件以城市軌道交通車輛動力學(xué)模型和各部件主要參數(shù)作為模型計算主體，輸入車輛基本情況和運行工況，輸出系統(tǒng)能耗計算結(jié)果和各部件綜合能量效率，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。該軟件通過計算不同種類城市軌道交通車輛在不同運行工況條件下所受的合力，進而計算在固定速度工況條件下的功率需求及能量消耗，同時通過對各部件輸入及輸出功率進行積分計算得到各部件的能量效率，為城市軌道交通列車動力系統(tǒng)能耗評價提供仿真計算依據(jù)。因此，上述能耗仿真軟件可在一定程度上指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型，優(yōu)化整車及關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計。

為了驗證該能耗仿真軟件的合理性和可行性，將重慶地鐵10號線列車的相關(guān)信息輸入到仿真軟件中，并將仿真結(jié)果與列車在實際單程運行工況下的能耗進行對比分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，牽引能耗仿真結(jié)果與實際牽引能耗變化趨勢一致。在上述實際單程運行過程中，牽引能耗仿真結(jié)果為580 kW · h，實際牽引能耗為540 kW · h，仿真結(jié)果與實際數(shù)值的偏差為7.41%，證明仿真軟件能夠較好地反映城市軌道交通列車的牽引能耗水平。

此外，該軟件能夠仿真計算出城市軌道交通車輛運行能耗的組成部分及分布情況，如牽引系統(tǒng)損耗、列車運行阻力損耗、輔助系統(tǒng)能耗等，如圖3所示。由仿真結(jié)果可知，牽引系統(tǒng)損耗和輔助系統(tǒng)能耗總和約占整個車輛能耗的70%，列車制動損耗約占15%，所以提高牽引和輔助設(shè)備能量轉(zhuǎn)換效率，降低制動損耗是車輛節(jié)能的最有效途徑。

2 牽引傳動系統(tǒng)節(jié)能措施

牽引傳動系統(tǒng)是城市軌道交通車輛的主要耗電設(shè)備，由高壓電氣回路、牽引變流系統(tǒng)、輔助變流系統(tǒng)和接地回路等子系統(tǒng)組成。牽引變流系統(tǒng)負責將直流供電電源轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動電機的交流變頻電源，輔助變流系統(tǒng)負責將直流供電電源轉(zhuǎn)換為用于車輛空調(diào)、照明的工頻電源，兩者是整個車輛能量轉(zhuǎn)換的重要組成部分，所以提高這兩大系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率是節(jié)能的關(guān)鍵。

2.1 碳化硅（SiC）功率器件的應(yīng)用

近年來，隨著以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料制備及生產(chǎn)工藝的迅速發(fā)展，高電壓、大電流的SiC功率半導(dǎo)體器件逐漸投入市場，以美國CREE公司為代表的企業(yè)已推出各種電壓等級的SiC功率器件。SiC功率器件具有耐高溫、耐高壓、工作頻率高等特性，可提高車輛牽引變流器和輔助變流器的效率，減小其工作噪聲，并能夠通過提高整機功率密度實現(xiàn)減輕整車質(zhì)量和節(jié)能的目的。

目前商業(yè)化SiC功率器件的優(yōu)點主要體現(xiàn)在開關(guān)損耗、開關(guān)頻率和溫度特性上。圖4為SiC功率器件與傳統(tǒng)硅（Si）功率器件開關(guān)電流的對比波形。試驗結(jié)果表明，SiC功率器件在開關(guān)損耗上有明顯優(yōu)勢，尤其是二極管反向恢復(fù)損耗。此外，相比Si功率器件，SiC功率器件的開關(guān)損耗熱穩(wěn)定性更好，其開通和關(guān)斷損耗并不會隨著器件結(jié)溫的變化而顯著變化，如圖5所示，這一特點非常有利于提高變流器的熱穩(wěn)定性。

在變流器的設(shè)計中，應(yīng)用SiC功率器件不但可以降低系統(tǒng)功率損耗，而且可以通過提高開關(guān)速度優(yōu)化磁性材料的應(yīng)用特性，減小磁芯元件的尺寸和質(zhì)量，并降低直流支撐電容的容值。系統(tǒng)功率損耗的減小也降低了對散熱部件的要求，因此允許使用更小的散熱器和風(fēng)機，甚至取消風(fēng)機，從而實現(xiàn)設(shè)備組件及設(shè)備的小型化、輕量化。但由于SiC功率器件的價格較高，在實際應(yīng)用中要綜合考慮各種設(shè)計因素，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)配置。

研究團隊以某有軌電車牽引系統(tǒng)（車輛采用DC750V電源供電）的技術(shù)指標為設(shè)計目標，分別開發(fā)了應(yīng)用Si和SiC半導(dǎo)體開關(guān)器件的牽引和輔助變流器。牽引變流器的額定工作容量360 kVA，輸出電壓0～

520 V，輸出電流440 A;輔助變流器的額定容量40 kVA，充電機的額定功率10 kW。研制出的樣機參數(shù)如表1所示，采用SiC功率器件的牽引變流器體積比采用Si功率器件減小超過30%，質(zhì)量減小近40%。為了進一步對比SiC功率器件在損耗方面的優(yōu)勢，研究團隊進行了不同速度下的效率試驗，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，相比于Si功率器件的牽引變流器， SiC牽引變流器的運行效率提升約1.4%，系統(tǒng)損耗降低約53%。

采用SiC功率器件的輔助變流器箱在質(zhì)量上也有明顯減小，但減小效果沒有牽引變流器明顯，僅為16%。分析質(zhì)量減小的效果未達到更優(yōu)的主要原因是：為了平衡設(shè)計成本和系統(tǒng)效率，SiC功率器件未采用更高的開關(guān)頻率。對SiC輔助變流器進行的效率測試結(jié)果表明，系統(tǒng)效率提升3%，達到95%，系統(tǒng)損耗降低約42%。除此之外，對輔助系統(tǒng)進行的溫升試驗結(jié)果表明（圖6），無論是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）還是電磁器件，溫升均有明顯降低，這可顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

SiC功率器件具有工作頻率高、耐高溫、低損耗等諸多性能優(yōu)勢，有利于推動電能轉(zhuǎn)換技術(shù)的革新，發(fā)展綠色智能軌道交通。但由于目前SiC功率器件的電壓、電流等級以及成本等因素，要實現(xiàn)其在城市軌道交通行業(yè)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，仍有不少難題需要克服。

2.2 永磁同步牽引傳動技術(shù)

在軌道牽引傳動系統(tǒng)中，永磁同步牽引電機以其高效率、高功率密度、低噪聲等優(yōu)點受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。德、日、法等軌道交通裝備制造強國均將永磁同步牽引系統(tǒng)作為第3代軌道交通牽引技術(shù)進行研究和開發(fā)，目前已進入樣機工程化和商業(yè)化的應(yīng)用階段。牽引系統(tǒng)采用永磁同步電機，可有效降低系統(tǒng)能耗和噪聲水平，減少電機日常維護工作，符合建立綠色城市交通系統(tǒng)的理念，已成為下一代城市軌道交通的發(fā)展方向。

永磁同步牽引電機采用具有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩余磁化強度的永磁材料，與異步牽引電機相比，其主要優(yōu)勢在于過載能力強、功率因數(shù)高、效率高、噪聲低。圖7為永磁同步牽引電機與異步牽引電機的效率分布圖，表征電機全運行工況下的效率高低，圖中深紅色區(qū)域為高效區(qū)域。由圖7可知，永磁同步牽引電機的高效區(qū)域面積遠大于異步牽引電機。由于城市軌道交通運行站間距短，列車頻繁啟停，牽引電機經(jīng)常低速運轉(zhuǎn)，而永磁同步牽引電機全工況范圍內(nèi)的高效特性可更加節(jié)能。同時，采用具有高磁能積的永磁體可提高永磁同步牽引電機的功率密度，從而可在相同功率下減小電機的體積與質(zhì)量。由于永磁同步牽引電機的效率顯著提高，電機自身發(fā)熱大幅度減少，特別是轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量明顯降低，因此可以依據(jù)系統(tǒng)需求實現(xiàn)全封閉設(shè)計，這樣不僅可減少清掃維護工作，也可降低噪聲。

研究團隊根據(jù)青島地鐵11號線牽引系統(tǒng)的技術(shù)指標（車輛采用第三軌DC1500V供電，牽引系統(tǒng)采用軸控方式），開發(fā)了永磁同步牽引系統(tǒng)，電機的額定功率為230 kW。該系統(tǒng)于2017年9月在青島地鐵11號線通過了地面試驗、裝車試驗、空載試運行和正線載客運營各個階段的考核。表3為永磁同步牽引列車和異步牽引列車載客運營期間的能量生成和消耗數(shù)據(jù)，包括牽引能耗、回饋電網(wǎng)能量和制動電阻能耗。由表3可知，永磁同步牽引列車平均每千米的能耗為10.41 kW · h，回饋電網(wǎng)能量為5.55 kW · h，相比異步牽引列車，永磁同步牽引列車平均每千米牽引能耗可減少0.42 kW · h，回饋電網(wǎng)能量多0.2 kW · h。制動能量除了回饋電網(wǎng)外，還有一少部分被制動電阻消耗，因此綜合考慮回饋電網(wǎng)與制動電阻消耗的再生能量，永磁同步牽引列車平均每千米的總能耗為3.95 kW · h，比異步牽引列車（平均每千米4.64 kW · h）節(jié)能15%。按照異步牽引列車每年運行20萬km，每千米耗電4.64 kW · h計算，1列列車1年將耗能92.8萬kW · h。由此可知，基于永磁同步牽引系統(tǒng)的列車每年可節(jié)約電能近14萬 kW · h。

如今，異步牽引系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，從供應(yīng)商到運營部門都積累了大量的設(shè)計、運用和維護經(jīng)驗，而永磁同步牽引系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗較少，需要針對永磁同步電機的特殊性，依據(jù)系統(tǒng)頂層指標對永磁同步電機的反電勢、短路電流以及牽引系統(tǒng)的主電路拓撲結(jié)構(gòu)等進行合理設(shè)計，以使永磁同步牽引系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)牽引/制動特性的前提下安全可靠地工作。

2.3 中高頻大功率 DC-DC 輔助變流技術(shù)

傳統(tǒng)輔助電源多采用工頻拓撲，先將直流電逆變，再經(jīng)工頻變壓器降壓隔離，輸出三相工頻交流電源。由于工頻變壓器工作頻率低、功率密度小，因此體積、質(zhì)量和損耗通常較大。此外，逆變回路通常選用3 300 V等級的IGBT，電能轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)損耗較大，所以傳統(tǒng)輔助電源的實際效率通常小于91%。

隨著大功率DC-DC軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，采用中高頻大功率DC-DC隔離技術(shù)的輔助電源已成為城市軌道交通車輛輔助電源的重要發(fā)展趨勢。中高頻大功率DC-DC輔助電源的結(jié)構(gòu)如圖8所示，與傳統(tǒng)輔助電源電路拓撲相比，該拓撲在三相逆變器前增加一級帶高頻變壓器隔離的DC-DC變換器，即先對高壓直流電源進行降壓斬波，再逆變輸出AC380V電源。它與采用工頻方案的輔助電源最大不同在于采用高頻逆變器、高頻隔離變壓器、高頻整流濾波器的結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)側(cè)輸入電壓降壓斬波為所需要的直流電壓。

采用這種電路結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點。

（1）變壓器效率高、體積小、質(zhì)量小。以某項目130 kVA輔助電源的變壓器為例，采用此種電路結(jié)構(gòu)后變壓器損耗由2.6 kW降低到0.8 kW，質(zhì)量由原來的450 kg減小到100 kg以內(nèi)。

（2）逆變頻率高、損耗小。由于輸入電壓經(jīng)過DC-DC斬波降壓，因此逆變回路可采用1 700 V或更低電壓等級的IGBT，開關(guān)損耗低，開關(guān)頻率進一步提高。這有利于減小散熱部件尺寸和優(yōu)化三相濾波回路參數(shù)，減小部件質(zhì)量，提高系統(tǒng)效率。

（3）系統(tǒng)效率高。在隔離型中高頻大功率DC-DC結(jié)構(gòu)中多使用諧振軟開關(guān)技術(shù)，即利用諧振過程中電壓和電流周期性過零的特點實現(xiàn)軟開關(guān)，降低器件的開關(guān)損耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

采用中高頻大功率DC-DC變流技術(shù)的輔助電源已在多個地鐵項目中裝機應(yīng)用。表4是研究團隊針對6節(jié)編組的城市軌道交通車輛分別為傳統(tǒng)輔助電源和中高頻大功率DC-DC輔助電源制定的技術(shù)指標。對比質(zhì)量參數(shù)可知，在保持箱體尺寸不變的情況下，單臺電源的質(zhì)量由原來的1 450 kg減小到1 010 kg，減小約30%。此外，由于輔助逆變電源采用中高頻大功率DC-DC變流技術(shù)，電源效率由原來的91%提高到94.5%。但由于其電路拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)控制難度大，對系統(tǒng)可靠性設(shè)計要求較高。

2.4 DC600V 直流供電技術(shù)

除了采用更先進的半導(dǎo)體器件以及更高效的電路拓撲以外，通過優(yōu)化或改變整車供電制式和供電模式、減少能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、提高電能利用率，也是車輛節(jié)能的重要手段。研究團隊研發(fā)的DC600V直流供電技術(shù)即采用這種方案。

DC600V直流供電技術(shù)是在列車輔助電源中高頻化以及空調(diào)電源變頻化的應(yīng)用背景下提出的。上海市軌道交通5號線、沈陽地鐵1號線以及北京地鐵燕房線的車輛已采用變頻空調(diào)替代傳統(tǒng)的定頻空調(diào)。目前，城市軌道交通列車上的變頻空調(diào)機組多采用交-直-交變頻器，先將工頻AC380V整流成直流電壓，再經(jīng)逆變單元轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的交流電輸出，其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)換效率低的缺點。針對此問題，研究團隊對變頻空調(diào)的直流供電系統(tǒng)進行研究，研制出DC600V輔助供電系統(tǒng)，增加DC600V輸出電壓制式，使空調(diào)機組直接從該供電系統(tǒng)上取電，不但省去了空調(diào)機組的中間整流環(huán)節(jié)，還大大降低了AC380V逆變電源的設(shè)計容量，減小了設(shè)備的質(zhì)量和體積，實現(xiàn)了列車輔助電源的小型化及輕量化。

DC600V輔助供電系統(tǒng)（圖9）是將DC1500V高壓電轉(zhuǎn)換成DC600V、AC380V以及DC110V，為空調(diào)、通風(fēng)機、空氣壓縮機、蓄電池充電器以及照明等輔助設(shè)備提供電源。DC600V輔助供電系統(tǒng)的各種電氣設(shè)備按功能、電壓等級可分為高壓輸入回路、輔助電源箱、中壓母線回路、低壓母線回路、列車負載供電回路以及DC24V電源。對于表4中6節(jié)編組的城市軌道交通車輛輔助電源，在引入DC600V供電制式后，由于空調(diào)直接從DC600V取電，AC380V逆變電源的設(shè)計容量由原來的單臺190 kVA降低到了65 kVA。該指標的降低無論是對變流單元還是輸出三相LC濾波回路，都起到了減小尺寸和質(zhì)量的作用。此外，采用DC600V直流供電技術(shù)，還促進了中高頻大功率DC-DC輔助電源的推廣應(yīng)用。

3 總結(jié)與展望

本文對節(jié)能技術(shù)在城市軌道交通車輛牽引傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了研究，結(jié)合研究團隊的最新研究成果，重點介紹了SiC功率器件、永磁同步牽引傳動、中高頻大功率DC-DC輔助變流、DC600V直流供電4種技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用特點。SiC器件具有工作頻率高、耐高溫、低損耗等性能優(yōu)勢，可以給包括牽引變流器和輔助變流器在內(nèi)的功率變換裝置帶來革命性改進，使得新一代變流系統(tǒng)在效率、小型輕量化、控制性能等方面具備明顯優(yōu)勢。永磁同步牽引電機與異步牽引電機相比，不僅在效率方面有巨大優(yōu)勢，而且在功率密度、轉(zhuǎn)矩特性、可維護性等方面也優(yōu)于后者。中高頻大功率DC-DC輔助變流技術(shù)的應(yīng)用，使得變壓器更小、更輕;降壓斬波后的直流電壓較低，對器件耐壓等級的要求也較低，開關(guān)損耗也因此降低;加上使用諧振軟開關(guān)技術(shù)，進一步提高了系統(tǒng)效率。DC600V直流供電技術(shù)通過優(yōu)化整車電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，不僅在輸出上適應(yīng)了新型負載對輔助供電系統(tǒng)的要求，而且可以大大減小AC380V的逆變電源的設(shè)計容量，從而實現(xiàn)小型、輕量化設(shè)計。

城市軌道交通牽引傳動系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得諸多成果，但仍有一些亟待解決的技術(shù)問題。例如，SiC功率器件目前仍難以大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，永磁同步電機的設(shè)計與控制技術(shù)尚不成熟，目前針對牽引系統(tǒng)各部分的節(jié)能研究缺乏系統(tǒng)性。今后應(yīng)該從這些方面著手，逐步優(yōu)化城市軌道交通牽引傳動系統(tǒng)中的節(jié)能技術(shù)。

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收稿日期 2019-08-19

責任編輯 蘇靖棋