論新一代牽引供電系統及其關鍵技術

肖俊飛

【摘??要】近年來我國城市軌道交通建設如火如荼、發展迅速，牽引供電系統為軌道交通能源系統的核心部位，其性能與效率直接影響列車牽引功率的發揮和牽引傳動控制系統的性能。為了節約軌道交通的能源消耗并提高交通運輸效率，牽引供電系統的相關技術一直是研究熱點。本文簡要梳理牽引供電系統，尤其是其在城市軌道領域的發展歷程以及發展方向，對牽引供電系統關鍵技術進行了深入討論。

【關鍵詞】軌道交通;牽引供電系統;脈沖寬度調制;節能減排

一、軌道交通牽引供電系統概述

隨著我國城市化進程的加快，越來越多的城市居民為城市的交通設施帶來了嚴峻挑戰，在這一背景下包括地鐵和輕軌的城市軌道交通成為大型城市解決公共交通問題的重要手段。在2019年我國已有40多個城市開通了軌道交通，總運行里程約6500公里，然而便利的交通是建立在巨大的能源消耗基礎上的，僅北京市2017年地鐵用電量就達13.99億度。城市軌道交通供電系統主要由外部電源、變電所、牽引供電系統和動力照明供電系統等組成，其中電力牽引供電系統指從外部電源系統接受電能后通過變壓、變相或換流的方式向電力機車負載提供所需電流制式的電能，然后進行電力傳輸、儲存的完整系統。牽引供電系統主要由牽引變電所和牽引網（接觸網）組成，牽引變電所分為直流牽引變電所和交流牽引變電所兩類，包括整流變壓器和整流器兩部分，是轉換交流電能為機車可用的直流電的中心環節，其任務不僅是將電力系統送來的高壓電轉化為電力機車所需的電壓，而且還通過采用不同形式的變壓器及其結線，將電力機車的單相負荷對電力系統的不良影響降低到最小。牽引網則是架設在軌道上為電力機車供電的輸電線路。供電系統除了為軌道車輛提供動力外，還承擔著照明、溫控、自動扶梯等輔助設備的正常運行，是城市軌道交通正常穩定運行的能源大動脈。

我國的城市軌道交通正處于黃金發展期，迫切需要牽引供電系統的改革升級，同時巨大的需求也推動著相關技術的發展。

二、目前城市軌道牽引供電系統存在的缺陷

2.1能源浪費問題

牽引供電系統在使用大量能源的同時也會浪費大量電能，其電能的浪費一方面是電能在變電所和牽引網傳輸過程中產生的浪費，由于牽引變電所供電距離較短，增加了線路牽引變電所數量和工程建設成本。另一方面是由于軌道交通自身獨特的運行方式造成的，眾所周知城市軌道與以往鐵路運輸有很大不同，由于運動過程中相鄰兩個站臺距離較近，一般只有1～2?km，列車運行密度大并且運行速度較高，牽引負荷變動比較大，啟動和制動都比較頻繁。列車大部分牽引能耗都不是用來克服基本阻力的，制動時不能像火車一樣通過慣性緩慢停止，而是主要采用電制動和空氣制動兩種方式停止，當列車需要停止時會首先利用電制動使列車運行速度降低，速度降到一定范圍后會切除電制動而采用空氣制動。所謂電制動即電阻制動，是指原來驅動列車行駛的牽引電動機會轉變為發電機，利用列車的慣性由輪對帶動電動機轉子旋轉而發電，產生反轉力矩消耗列車的動能，達到減速的效果。而電機發出的電流通過專門設置的電阻器，采用通風散熱將熱量消散于大氣中，在這過程中電能轉化為動能再轉換為電能，很多能量會以熱能的形式傳遞到空氣中，造成大量的能源浪費。

2.2?傳統整流變壓器技術缺陷

由于我國早期的鐵線路運量較低，主要采用不可控整流電路的牽引整流變壓器，這種傳統的牽引整流變壓器無法回收列車制動能量，造成能源浪費。隨著科技與社會的發展，牽引整流變壓器正逐漸向大功率的脈沖寬度調制（Pulse?width?modulation，PWM）整流器發展，大功率?PWM?裝置不僅可以提高供電能力，還能高效地回收列車制動能量，從而節能減排，降低運營成本。

2.3?直流牽引供電系統的缺陷

目前很多城市的城市軌道交通采用直流牽引供電系統，需要搭建直流牽引供電網，將城市的接觸網、牽引網與變電站連接起來，這是一種接近串聯的供電方式，一旦部分電路出現故障就需要立即更換別的電路保障線路的運行;此外這種供電方式的電流保護系統比較松散，維護措施比較繁瑣，維護成本較高，整體效率需要提升。

三、目前新一代牽引供電系統的技術突破

3.1?牽引供電系統的保護措施

無論是從保障城市正常運行還是防止安全事故的角度，電網的安全防護非常重要。因此可以在牽引供電系統中添加供電變壓器的電流速斷保護裝置來實現對軌道交通牽引供電系統的整體維護，保障整個系統的穩定性，此裝置進行反時限過電流保護，減少了母線與饋線間出現故障的概率。另一方面，這保護系統可根據短路電流大小適度調整保護裝置的啟動時間，實現高效化安全防護，減少突發故障對供電系統造成的危害。

3.2電源系統供電方式的優化

目前城市軌道交通的牽引供電系統的電源系統主要有集中式供電、分散式供電和混合式供電三種。其中集中式供電是指建立110?kV?的主變電所，專門為軌道交通的直流牽引變電所和降壓變電所提供交流電能;分散式供電是指由城市電網的區域供電系統直接為軌道交通電網的直流牽引變電所和降壓變電所提供交流電能;混合式供電是指兩種方法的結合，以集中供電方式為主，分散供電方式為輔。這三種供電方式各有優缺點，集中式供電統一管理、統一調度、自成體系，所以事故率比較低且穩定可靠，而分散式供電則成本比較低。

3.3?再生能源利用技術

上文提到軌道交通列車運行密度大、啟停頻繁，在制動過程中可以將動能再轉化為電能，這部分再生制動能量相當可觀，產生的電能可以轉化為再生電能加以儲存利用。由此除了電制動和空氣制動外研究者們提出了再生制動，將列車制動的能量送至電力網絡中重新利用，如供給列車本身的輔助供電系統、照明系統、其他相鄰列車以及車站負荷等使用，從而避免列車制動時的能量白白浪費掉，是一種可持續的“綠色制動”方式，

3.4計算機技術發展對牽引供電系統優化管理的作用

近年來隨著計算機技術、人工智能技術的發展，研究者們可以直接在電腦上為軌道交通運行時的牽引供電系統建立數學模型，仿真模擬整個系統的運作，通過一些數據的計算和算法的模擬進行系統的優化，在保證供電系統運作質量的同時降低運行能耗，節約能源降低成本。例如西南交通大學肖建課題組就將以列車節能操控歸結為一非線性的時變兩點邊值為題，提出了列車最優操縱的數學模型，根據多列車在線路上運行時的牽引網網壓、整流變電所負荷過程等，進行計算模擬列車位置、電取流、用電功率等隨時間的變化關系，并給出了最優操縱策略的簡化與實現方法。鄭州大學陳根永等人就以鄭州地鐵一號線為例，利用?MATLAB?軟件中的?Simulink?仿真工具箱對地鐵牽引供電系統進行建模，并根據線路列車的配置參數搭建城軌列車的動態模型，利用上述模型實現了一輛地鐵列車從啟動、牽引、惰行到制動的運行過程完整仿真，并分析整個運行過程中的諧波分布情況。

結語：綜上所述，我國軌道交通的需求大、發展快，對牽引供電系統的節能系統、高效運行等方面的要求不斷增加，無數研究者和工程師都投身于此類研究中，通過理論分析和實驗模擬等多種方式對牽引電力系統的保護措施、電源供電方式、再生能源利用技術、管理系統等多個方面對進行了研究探索，并取得了一系列成果。

參考文獻：

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（作者單位：中鐵電氣化局集團有限公司城鐵公司）