城市軌道交通列車緊急自牽引方案研究

袁登科 周巧蓮 余國華 樊朝暉 呂傳賢

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

常年處于超負荷運行狀態下的城市軌道交通，會使其牽引供電系統的保護動作頻發、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建立了針對城市軌道交通的應急救援機制，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出現故障，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，依靠該系統提供的電能，使城市軌道交通列車在統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急系統中的一個重要組成部分，可以在第一時間內實施有效救援，并可大大提高應急救援系統的靈活性。在某些特殊情況下（如短區域內斷電等），仍然可以使城市軌道交通網絡保持通暢的運營。

1 具有緊急自牽引能力的列車牽引系統架構

1.1 現有列車牽引電氣系統

以上海軌道交通11號線為例，現有的動車牽引電氣系統示意如圖1所示。圖1中，列車受電弓將1 500V架空接觸網高壓直流電引入動車，先后經過5個部分——預充電電路、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行相互轉化。這兩者是牽引電氣系統的核心。

圖1 現有城市軌道交通列車牽引電氣系統示意圖

1.2 列車緊急自牽引系統

列車緊急自牽引系統（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，細線表示信號流。ESTS包含能量存儲系統（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。目前，城市軌道交通列車已經配置有車載低壓110V蓄電池組，通常為兩組蓄電池，其總容量約300Ah。根據相關標準要求［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方框圖

比較目前技術成熟且適于列車應用的儲能方式，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計的國產磷酸鐵鋰離子電池組已于2010年在南京地鐵列車開始使用，經受了列車110V低壓系統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功率，通常可以將多組蓄電池進行串聯使用。

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設計

2.1 典型工況設定

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，所以列車緊急自牽引的典型運行工況設定為：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，負載設定為 AW0（空車）、AW2（額定負載）與AW3（最大負載）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行仿真。三種負載工況下的仿真結果見圖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 蓄電池系統設計

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。按照單節蓄電池放電電壓到2.6V計算，在3C（放電倍率）下可以進行約20min的100%放電。在5C下可以進行約11.5min的97%放電。即便按照10C下進行放電也可以持續約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鋰離子電池串聯后供給列車緊急自牽引使用，在AW0負載下，蓄電池組基本是在3C內放電；在AW2負載下，蓄電池組基本在3.3C左右放電；在AW3負載下，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、老化系數等因素，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架構。該系統需要添加車載儲能系統、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。蓄電池的串聯組合開關電路需要經過合理設計。蓄電池組的體積約1.2m3，質量約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和更長時間的應急照明和通風使用。

4）蓄電池牽引功能需要在整車設計時予以充分考慮，以便對自牽引系統進行優化設計，特別是需要妥善解決牽引逆變器發熱、空氣制動等問題。

5）從目前儲能技術、電力電子變換技術及成本等因素看，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 電力網絡質量令人憂［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.城軌交通車輛應急自牽引系統仿真分析［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地鐵車輛通用技術條件［S］.

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

［6］朱玉環.城市軌道交通車輛段蓄電池調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用研究［J］.機車電傳動，2011（3）：23.