城市軌道交通牽引系統技術發展前景

■ 劉偉志 馬穎濤

城市軌道交通牽引系統技術發展前景

■ 劉偉志 馬穎濤

城市軌道交通列車牽引系統（包括輔助供電系統）是最主要的用電負載，節能空間最大。圍繞節能降耗，從再生制動功率的回收，永磁同步牽引系統實現系統和部件的更高效率，輕量化技術降低車輛載荷，以碳化硅（SiC）為代表的新一代半導體器件應用等幾方面展望牽引系統技術的發展前景。

牽引系統；儲能吸收裝置；永磁同步牽引系統；輕量化；碳化硅；全生命周期

0 引言

近年來，我國軌道交通行業蓬勃發展。軌道交通不僅是解決大城市交通問題的有效途徑，同時也為交通領域節能減排作出重要貢獻。軌道交通主要的能耗是電能，電費約占整個運營成本的30%。如何進一步降低能耗，對于做好節能減排工作，落實節能減排目標具有重要意義。

車輛是城市軌道交通中最主要的用電負荷，其中列車牽引系統和輔助供電系統為最主要的用電大戶。牽引系統為列車的牽引和制動提供所需功率。輔助供電系統為車載設備供電，特別是通風、空調負載。據統計，列車牽引系統（包括列車輔助供電系統）的用電量約占總用電量的一半，最具節能潛力（見圖1）。

圖1 城市軌道交通運營能耗分布

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

1 再生制動與儲能吸收裝置

城市軌道交通中，通常站間距較短，列車起停頻繁，制動能量可觀。列車在制動時，采用再生制動可將列車的動能轉換為電能，輸送回電網，實現節能目的。

但是當前典型的城軌直流供電都是采用二極管整流方式，再生制動能量并不能反饋回電網。因此，除了部分再生制動能量可能被同一供電區段相鄰車輛和本車輔助系統吸收，其余能量只能通過車載電阻或地面電阻釋放。大量的再生制動能量被轉換為熱能浪費掉。尤其在夏天，這些熱量甚至顯著增加了空調負荷，進一步提高了能耗。

1.1 基本原理

儲能吸收裝置能把上述費掉的再生制動能量吸收存儲起來，在列車牽引時釋放出來，從而實現節能。

儲能吸收裝置可以為地面設備，也可以為車載設備，其基本工作原理一致。在此主要討論車載儲能吸收裝置。

車載儲能吸收裝置在列車再生制動時存儲能量，在列車牽引加速時釋放能量。在無電區，可以為列車提供動力（見圖2）。

圖2 車載儲能吸收裝置原理示意圖

除了節能，車載儲能設備還能帶來諸多優點：減少車輛對供電網絡的沖擊；減少供電基礎設施的投資；可以使列車在脫離供電網的情況下短時運行，這都為列車的運用增加了便利；提升牽引和再生制動的能力，例如當網壓過高限制了再生制動功率時，儲能設備可以及時投入工作，改善列車再生制動的發揮。

1.2 發展現狀

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

當前主要的車載儲能吸收裝置情況見表1。在德國曼海姆有軌電車上，龐巴迪公司的“MITRAC”車載儲能吸收裝置于2003—2007年的運營經驗表明，車載儲能吸收裝置能夠實現20%～30%的節能效果，并可減少50%的峰值功率需求。

車載儲能吸收裝置實現了制動功率回收和利用，還為車輛帶來了一些新的優點。隨著儲能技術的進步和成本的下降，未來儲能吸收裝置有著廣闊的前景。

2 永磁同步牽引系統

和當前主流的異步電機牽引系統類似，永磁同步牽引系統是交流傳動的另外一條技術路線。與異步電機相比，永磁同步電機效率更高，功率密度更高。

2.1 高效節能

永磁同步電機的轉子上安裝有永磁鐵，無需勵磁電流和轉子銅耗，因此可以實現更高的功率因數和更低的定子銅耗，基本消除了轉子鐵耗。因此永磁同步電機的效率可高達97%。相比異步電機牽引系統，永磁同步牽引系統的效率在全速度范圍內均有一定提高。

采用永磁同步牽引系統節能效果約10%。相關試驗包括：東日本鐵路公司的103系電車20萬km的試驗；東芝公司的地鐵車輛在東京地鐵的試驗；南車株洲所在沈陽地鐵2號線第20列車M1車上的一臺電機進行運行考核。

2.2 功率密度優勢

與同等級的異步電機相比，永磁同步電機的體積和質量可以減小20%～30%，因此功率密度顯著提高。在同等尺寸和質量的條件下，永磁同步電機可以實現更大的轉矩，因此可以實現直接驅動，省去了齒輪箱。

可將永磁同步電機設計成全封閉結構（見圖3），運行噪聲明顯下降，且免除了清掃電機內部的維護工作。

表1 車載儲能吸收裝置

2.3 發展現狀

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，陸續開始將永磁同步電機作為牽引電機，現已有批量產品應用（見表2），這標志著永磁同步牽引系統初步進入了商業化應用階段。在國內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車組上對其永磁同步牽引系統進行考核。

圖3 全封閉永磁同步電機

永磁同步牽引系統能夠為軌道交通的節能減排作出積極貢獻，可實現約10%的節能效果。但永磁同步電機的諸多特殊性也決定了該技術路線在應用中存在一些風險，如永磁體失磁風險，牽引系統復雜性較高，以及系統控制與故障保護上的特殊性。

迄今為止，還未有永磁同步牽引系統實現全壽命周期的運營。因此能否實現永磁同步電機在全壽命周期內的可靠運行，通過節能抵消較高的初始成本和其他附加成本，仍需時間檢驗。

3 輕量化

列車牽引系統、輔助供電系統是主要的車載設備。提高車載設備的功率密度（kVA/kg），降低機組質量，即降低了車輛負荷，可實現持久的節能效果。

功率密度是最能體現變流器綜合技術水平的指標。功率密度越高，即輕量化水平越高，節能效果越顯著。

表2 永磁同步牽引電機案例

3.1 發展現狀

市場上有代表性的輔助變流器產品見表3。不同型號或平臺的輔助變流器功率密度從0．09到0．32，差異巨大。日系平臺的功率密度約為0．1級別。

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MTP_MF比舊平臺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的輔助變流器產品功率密度已經高達0．3級別。

假定既有車輛采用130 kVA的東芝變流器，質量為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、機組的輕量化，已成為車載變流器的發展趨勢。

3.2 輕量化的途徑

（1）高頻化。通過采用新器件或者改進功率模塊的熱設計，提高機組的工作頻率。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，從而顯著降低設備重量，提高功率密度。

（2）箱體輕量化。鋁合金由于其質量輕、耐腐蝕等優點，已經在鐵路客車尤其是高速動車組上得到了廣泛應用。采用全鋁合金箱體，或者采用混合材料箱體，盡可能降低箱體質量。同時箱內設計更加緊湊，減小箱體體積，從而實現減重。ABB、克諾爾、三菱企業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用。

工業界大量的案例表明，越是小巧的產品，越是優異和出眾。輕量化的車載變流器可減低車重，實現節能。輕量化將是城市軌道交通牽引系統技術發展的重要方向之一。

表3 城市軌道交通輔助變流器

4 新半導體器件的應用

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

當前主流的半導體功率器件都是硅（Si）材料，但業界對硅材料性能的利用已接近極限。SiC材料作為下一代半導體材料，使得SiC器件具備革命性的優點：更高開關速度、損耗低、耐高溫、關斷拖尾電流小等。換句話說，SiC器件使得變流器可工作在更高開關頻率，實現輕量化；器件本身損耗降低和耐受高溫，使得變流器效率更高或者降低對冷卻的需求。

近10年來，SiC器件的應用成為各大企業、科研機構的研究熱點。CREE、ROHM、英飛凌、三菱等主流功率半導體公司接二連三推出新一代產品，競爭下一代功率半導體器件的主動權。當前純SiC器件已達1 700 V/800 A等級，混合型的SiC器件已達1 700 V/1 200 A等級。該等級的器件可應用于低電壓等級的功率模塊（600 V DC、750 V DC）。日系企業（東芝、三菱、日立）均已推出采用SiC器件的地鐵變流器樣機。

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

5 結束語

圍繞節能降耗的主題，從4方面展望城市軌道交通牽引系統技術發展前景：

（1）車載儲能吸收裝置回收制動能量有20%～30%的節能效果；

（2）永磁同步牽引系統可實現更高效率，有10%的節能效果；

（3）牽引系統和輔助供電系統的輕量化可減少車輛載荷，實現節能效果；

（4）新一代的半導體器件（SiC）對整個變流器領域可能帶來的革命性變化。

以上方面并非各自獨立，而是相互交叉、相互影響的，其技術成熟水平也不同。儲能吸收裝置相對比較靈活，既可以對既有車輛進行改造，也可對地面的供電設備進行改造，但是該技術能否普及仍取決于儲能技術能否有重大突破，成本能否顯著降低；輕量化是車載變流器新產品的發展方向；永磁同步牽引系統已初步進入產業化階段；SiC器件的成熟應用仍需一定時間。

一項新技術能否走向普及，不僅取決于技術成熟水平和節能效果的高低，更需關注的是，承載該技術的產品能否在全壽命周期內降低成本。也就是說，除了考慮節電本身，更要考慮其整個壽命周期內，節電能否抵消新設備的投資、可能增加的檢修維護成本等諸多因素，從而實現總成本的下降。只有實現在全壽命周期內總成本的下降，這項技術才有內在的生命力。

[1] 李國慶． 軌道交通的用能以及節能思考[N]． 中國建設報，2015-08-11．

[2] 蔡昌俊，鐘素銀． 軌道交通節能減排分析與實施[J]．鐵路技術創新．2011(5)：5-10．

[3] Michael Froich，M Klohr，J Rost． 軌道機車車載儲能裝置[J]．電力電子，2010(5)：36-40．

[4] 馮江華．軌道交通永磁同步牽引系統的發展概況及應用挑戰[J]．大功率變流技術，2012(3)：1-7．

[5] 馬穎濤，李紅，李巖磊，等． 軌道交通中永磁同步牽引系統的優勢與挑戰[J]．鐵道機車車輛，2015(3)：66-70．

劉偉志：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，研究員，北京，100081/ 100094

馬穎濤：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

責任編輯 盧敏

U260.13；U231

A

1672-061X（2015）04-0029-04