地鐵列車節能技術應用研究

吳彩秀，李紅佗，莊舜雄

（深圳地鐵運營集團有限公司 ，廣東深圳 518040）

1 引言

地鐵是大容量公共交通基礎設施，是城市引導承載綠色低碳出行的骨干交通方式。隨著近幾年中國城市軌道交通行業迅猛發展，截至2022年6月，國內（不含港澳臺）共有51個城市開通運營277條城市軌道交通線路，運營里程9 067 km。深圳地鐵全線網運營里程已達388 km（不含港鐵運營線路和有軌電車），日均客流545 萬人次/日，單日全線網總客運量最高達到772萬人次[2]。預計在2022年年底開通新線后，深圳地鐵全線網運營里程將達到546 km。

隨著深圳地鐵線網不斷擴展及客流不斷增長，地鐵列車牽引能耗日漸增大，2021年全年地鐵總能耗約16×108kW·h，其中牽引能耗約8.3×108kW·h，占比高達52%。開展節能技術的應用與研究對“雙碳”戰略下的節能減排具有重要意義。因此，綠色低碳已逐漸成為城市軌道交通行業面臨的歷史性任務，也是城市軌道交通發展的重大戰略。地鐵車輛作為城市軌道交通中的重要組成部分，綠色、低碳、節能必然會成為未來的發展方向。

2 節能技術應用

深圳地鐵在運營開通伊始，對照明燈具[3]、空調[4]及輔助逆變器[5]等功耗較高的設備，依據性能更優、能耗更低及全壽命周期成本更低的基本理念，通過市場調研及自主創新等方式拓展節能技術應用。經過研究試用，目前已實現發光二極管（LED）照明燈具、變頻空調、無觸點邏輯控制單元（LCU）等節能技術的推廣應用。

由于地鐵運營客流潮汐變化特征明顯，碳化硅、稀土永磁材料制造成本隨著制造技術成熟也在逐年下降，未來節能方向將主要集中于列車運營編組方式優化及新材料應用方面，本文對深圳地鐵目前試點開展的全碳化硅牽引逆變器，永磁同步電機及正在探索的運營模式調整思路進行分析研究。

3 全碳化硅牽引逆變器

3.1 全碳化硅開關器件技術特點

地鐵列車牽引逆變器為列車運行提供動力，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是牽引逆變器的核心器件，傳統IGBT芯片采用硅材料制造，硅基IGBT牽引系統存在開關頻率較低（500 Hz）、功率密度較低、體積相對較大等不足，并面臨重量相對較重、電機軸電壓高、電機溫升高及運行噪聲大等問題，硅基IGBT器件開發已經接近極限。

全碳化硅（SiC）器件與傳統硅基（Si）器件相比，具備高頻低損、高功率密度以及高允許結溫等技術特點，開關頻率由500 Hz提升至2 000 Hz，較硅基IGBT器件提升4倍；開關損耗降低10%以上；散熱性能提升約30%；重量降低15%；體積減少10%。

3.2 全碳化硅牽引逆變器實驗

裝有國內首臺全碳化硅牽引逆變器的A型地鐵列車在深圳地鐵1號線試運行，截至目前，實驗列車已安全運行19×104km。動態性能測試情況主要如下[6]。

（1）牽引制動性能。在平直軌道上進行牽引制動性能測試，經核算0～60 km/h起動平均加速度為1.022 m/s2（≥1 m/s2），0～80 km/h起動平均加速度為0.907 m/s2（≥0.9 m/s2），60～0 km/h制動平均減速度為1.089 m/s2（≥1 m/s2），80～0 km/h制動平均減速度為1.078 m/s2（≥1 m/s2），均滿足性能要求。

（2）軸電壓測試。列車從0速開始以最大牽引力加速至59 km/h，惰行3 s，再以最大常用制動力減速至0 速，記錄全碳化硅及硅基系統的軸電壓數據，通過分析全碳化硅系統軸電壓平均降低約12.7 V，測試情況如圖1所示。

圖1 軸承電壓峰值測量結果

（3）車廂內噪聲。將噪聲探頭布置于站立乘客可到達的區域中心，距離列車地板1.5 m高的位置，切除背景噪聲并啟動硅基與全碳化硅牽引逆變器。通過測試各頻程的噪聲，運用計權算法，得出噪聲平均下降約5 dB（A），測試情況如圖2所示。

圖2 噪聲測試

（4）變流器模塊及電機溫升。在走行風冷散熱片兩側及中間布置15個熱電偶，于車廂內使用無線數據記錄儀，記錄散熱器升溫情況，測試全碳化硅模塊散熱器溫升約14.05 ℃，硅基模塊散熱器溫升約 22.39 ℃。通過正線進行3 h最高速度25 km/h的溫升試驗，分別記錄硅基IGBT器件牽引系統電機鐵芯溫度以及全碳化硅器件牽引系統電機鐵芯溫度，數據表明，全碳化硅器件牽引逆變器電機溫度接近穩定為80 ℃，溫升為50 K，硅基IGBT器件牽引逆變器電機溫度達到121 ℃，溫升為91 K，全碳化硅牽引逆變器電機溫升較硅基IGBT器件牽引逆變器溫升低40 K。測試情況如圖3所示。

圖3 電機溫升測試

（5）能耗測試。通過能耗記錄儀分別測量硅基IGBT器件和全碳化硅器件牽引系統牽引能耗、再生能耗以及總能耗，數據表明，當車速不高于35 km/h時，全碳化硅器件工作在高頻模式，開關頻率為2 kHz，牽引逆變器節能49.4%；當車速高于35 km/h時，全碳化硅器件進入分段調試模式，開關頻率最低到200 Hz，牽引逆變器節能15.24%。測試情況如表1所示。經測算，全碳化硅牽引逆變器較硅基IGBT牽引逆變器，在自動列車運行模式（ATO）空載情況下能耗降低15.2%、在低速段（速度不高于35 km/h）空載情況下能耗降低49.4%、電機溫升降低40 K以上、噪聲下降5 dB（A）、電機軸電壓降低12.7 V。

表1 正線能耗測試結果

實驗證明，采用全碳化硅材料作為功率器件的牽引系統可實現能耗降低，同時牽引電機軸電壓的降低亦可改善因軸承軸電壓引起的電腐蝕問題，延長軸承使用壽命，達到降低碳排放及運營成本的目的。

4 永磁同步電機應用

在深圳地鐵10號線選取10列車，安裝釹鐵硼永磁材料的永磁同步電機牽引系統，跟蹤比較與三相異步電機牽引系統列車的耗能，并分析節能效果。

永磁同步電機牽引系統采用5動3拖，共有5臺牽引逆變器及20臺永磁同步電機，三相異步電機牽引系統6動2拖，共有6臺牽引逆變器及24臺三相異步電機。故永磁同步電機牽引系統列車較三相異步電機牽引系統列車減少1臺牽引逆變器及4臺電機[7]。經測算，5動3 拖的永磁同步電機牽引系統列車（牽引逆變器箱體+牽引電機）總重量約16.7 t，6動2拖三相異步電機牽引系統列車總重量約19.9 t，減重約16%。5動3拖永磁同步電機牽引系統對于列車減重和能耗降低具有優勢。

4.1 永磁同步電機技術特點

永磁同步電機采用永磁材料嵌入電機轉子，使轉子存在初始磁場。在靜止狀態下，每臺電機的起始磁場方向不一致。定子結構與三相異步電機一致。因永磁同步電機轉子無需勵磁，即定子線圈產生的旋轉磁場直接帶動永磁體轉子轉動，與三相異步電機相比，減少銅線圈使用及熱損耗，其高效區（效率不低于90%）較三相異步電機提升25%，額定效率提升5%。永磁同步電機轉子如圖4所示。

圖4 永磁同步電機轉子

轉子采用全封閉結構，內部無散熱通風孔，使其噪聲更低。經地面測試，永磁同步電機在0～1 900 r/min轉速時，比三相異步電機噪聲降低約5.5 dB（A），在1 900～4 000 r/min轉速時，比三相異步電機噪聲降低約0.1 dB（A）。永磁同步電機噪聲測試結果如圖5所示[7]。

圖5 永磁同步電機與三相異步電機噪聲對比

4.2 永磁同步電機牽引系統技術特點

永磁同步電機牽引系統因每臺永磁同步電機靜態下轉子初始磁場差異，所以牽引逆變器輸出側必須采用軸控方式；同時在牽引逆變器與每臺永磁同步電機之間增加隔離接觸器，用以防止永磁同步電機短路后的反電勢對牽引逆變器或電網電壓沖擊。永磁同步電機牽引系統結構示意圖如圖6所示。

圖6 永磁同步電機牽引系統結構示意圖

4.3 永磁同步電機牽引系統應用能耗對比

通過每月對列車能耗數據采集及統計分析，2022年1月至4月，三相異步電機牽引系統列車平均牽引能耗約7.80 kW · h/km，單節動車平均牽引能耗約 1.30 kW · h/km。永磁同步電機牽引系統列車平均牽引能耗約4.61 kW · h/km，單節動車平均牽引能耗約0.92 kW · h/km，單節動車節能約29%。數據對比如圖7所示。

圖7 永磁同步電機與三相異步電機牽引節能數據對比

實驗證明，在深圳地鐵10號線8編組應用中，永磁同步電機牽引系統列車因使用永磁轉子代替三相繞組轉子，具有重量降低、效率增高的優勢，經實際運營數據對比，其在節能效果上明顯優于三相異步電機牽引系統，達到節能減排及降低運營成本的目的。

5 其他節能技術應用

5.1 新材料技術應用

除全碳化硅牽引系統、永磁同步電機外，深圳地鐵在其他部件選型用材方面研究質量更輕、性能更優且更環保的材料設備，進一步降低車輛整體質量[9]。如列車鋁合金空調機組，一臺機組約重200 kg，相比較不銹鋼材質310 kg可降低110 kg，整列車可降低1.32 t（6編組）或1.76 t（8編組），并計劃在深圳地鐵11號線120 km標準A型車進行裝車測試。

除此之外，深圳地鐵在控制系統應用無觸點控制單元替代傳統繼電器，座椅擋風玻璃應用聚碳酸酯代替鋼化玻璃，頂板、柜門應用鋁蜂窩鋁板代替實心鋁板等技術升級方案，以此降低整車重量，進而降低列車運營耗能，達到節能降耗目標。

5.2 列車節能運行模式

2011年—2015年，在深圳地鐵1號線從優化運輸組織方面研究列車節能運行模式。通過數據采集分析，在空載（AW0）工況下，相比最大運行速度80 km/h，以70 km/h作為最高速度運行可降低總牽引能耗7.6%，單程運行時間僅增加39 s；以65 km/h作為最高速度運行可降低總牽引能耗20.3% ，單程運行時間增加161 s[10-11]。節能效果對比如表2所示。

表2 不同運行速度下節能效果

2019年—2021年在深圳地鐵7號線開展試點研究，通過梳理早點頻發的車次及站點，優化其列車自動監控系統（ATS）的運行等級，優化同一供電分區內運行的列車進站與出站作業時間最大程度重疊方式，完成單車運行圖、多車運行圖技術研究及測試，結果表明，單車能耗降低1.7%，多車能耗降低5.78%[12]。

5.3 靈活編組技術方案研究

軌道交通潮汐客流特點顯著，存在高峰期間列車滿載率高、平峰期間列車滿載率低的特點，造成運力和能耗浪費。經研究分析，按線路平峰占比60%計算，在同一運行圖運營情況下，平峰期3編組列車代替6編組列車運行的方式，節能效率達40%。目前深圳地鐵已將其作為新車設計研究方向，評估適合深圳地鐵的靈活編組技術方案。靈活編組運行模式示意圖如圖8所示。

圖8 靈活編組運行模式示意圖

除文章所述之外，從列車質量、信號控制及運營模式方面，仍存在節能優化空間，如選用質量輕的材料或新技術方案降低整車重量，所需的牽引能耗亦可減低；信號控制方面，通過多列車牽引及制動配合，使同個供電臂下，再生制動電能用于其余列車的牽引電能，可減少電網的輸出電能；運營模式方面，將平峰短編組作為未來節能發展的基礎方向，以增加滿載率，解決長編組未滿載造成電能浪費的問題。

6 結語

針對城市軌道交通綠色、節能、低碳發展的時代背景，結合深圳地鐵實際應用場景，開展全碳化硅牽引逆變器及永磁同步電機等新技術的研究，驗證新技術在減重、降噪及節能等方面的效果。另外在設備材料減重、ATO運行模式優化及運營編組制式上亦開展了相關研究，目前科研成果的實際落地應用方案正在穩步推進。

同時，深圳地鐵在節能技術方面已推廣應用了成效明顯的LED照明、變頻空調及高頻輔助逆變器等節能技術；為采用全碳化硅器件、永磁材料新技術的牽引逆變器及牽引電機開展科研項目，用以收集運營及節能效果數據，可作為行業節能技術發展參考。再者，列車正線運營節能運行模式及靈活編組的技術方案，因受城市線路特征、運營列車數及客運量等差異影響，目前仍未有統一的技術方案或算法得出最佳運營方案，未來需車輛系統持續與通號、隧道及供電系統進行匹配，研究適合特定線路的運維模式。