城市轨道交通牵引系统技术发展前景

■ 刘伟志 马颖涛

城市轨道交通牵引系统技术发展前景

■ 刘伟志 马颖涛

城市轨道交通列车牵引系统（包括辅助供电系统）是最主要的用电负载，节能空间最大。围绕节能降耗，从再生制动功率的回收，永磁同步牵引系统实现系统和部件的更高效率，轻量化技术降低车辆载荷，以碳化硅（SiC）为代表的新一代半导体器件应用等几方面展望牵引系统技术的发展前景。

牵引系统；储能吸收装置；永磁同步牵引系统；轻量化；碳化硅；全生命周期

0 引言

近年来，我国轨道交通行业蓬勃发展。轨道交通不仅是解决大城市交通问题的有效途径，同时也为交通领域节能减排作出重要贡献。轨道交通主要的能耗是电能，电费约占整个运营成本的30%。如何进一步降低能耗，对于做好节能减排工作，落实节能减排目标具有重要意义。

车辆是城市轨道交通中最主要的用电负荷，其中列车牵引系统和辅助供电系统为最主要的用电大户。牵引系统为列车的牵引和制动提供所需功率。辅助供电系统为车载设备供电，特别是通风、空调负载。据统计，列车牵引系统（包括列车辅助供电系统）的用电量约占总用电量的一半，最具节能潜力（见图1）。

图1 城市轨道交通运营能耗分布

技术的发展不仅需要适应城市轨道交通自身需求，也需要有利于节能降耗。对于列车牵引系统（包括辅助供电系统）的节能降耗，可以从以下几个方面着手：充分利用再生制动，储能吸收装置回收制动能量；以永磁同步牵引系统为代表，提高系统效率和部件效率；轻量化：提高功率密度，降低机组重量；以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体器件可能带来的革命性变化。

1 再生制动与储能吸收装置

城市轨道交通中，通常站间距较短，列车起停频繁，制动能量可观。列车在制动时，采用再生制动可将列车的动能转换为电能，输送回电网，实现节能目的。

但是当前典型的城轨直流供电都是采用二极管整流方式，再生制动能量并不能反馈回电网。因此，除了部分再生制动能量可能被同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，其余能量只能通过车载电阻或地面电阻释放。大量的再生制动能量被转换为热能浪费掉。尤其在夏天，这些热量甚至显著增加了空调负荷，进一步提高了能耗。

1.1 基本原理

储能吸收装置能把上述费掉的再生制动能量吸收存储起来，在列车牵引时释放出来，从而实现节能。

储能吸收装置可以为地面设备，也可以为车载设备，其基本工作原理一致。在此主要讨论车载储能吸收装置。

车载储能吸收装置在列车再生制动时存储能量，在列车牵引加速时释放能量。在无电区，可以为列车提供动力（见图2）。

图2 车载储能吸收装置原理示意图

除了节能，车载储能设备还能带来诸多优点：减少车辆对供电网络的冲击；减少供电基础设施的投资；可以使列车在脱离供电网的情况下短时运行，这都为列车的运用增加了便利；提升牵引和再生制动的能力，例如当网压过高限制了再生制动功率时，储能设备可以及时投入工作，改善列车再生制动的发挥。

1.2 发展现状

储能吸收装置的形式有不同种类：飞轮储能、蓄电池（锂电池为代表）、超级电容，都各具特色。 通常而言，超级电容适于瞬时功率特别大的场合；锂电池适用于储能能量比较大的场合；飞轮是一种机械储能吸收装置。

当前主要的车载储能吸收装置情况见表1。在德国曼海姆有轨电车上，庞巴迪公司的“MITRAC”车载储能吸收装置于2003—2007年的运营经验表明，车载储能吸收装置能够实现20%～30%的节能效果，并可减少50%的峰值功率需求。

车载储能吸收装置实现了制动功率回收和利用，还为车辆带来了一些新的优点。随着储能技术的进步和成本的下降，未来储能吸收装置有着广阔的前景。

2 永磁同步牵引系统

和当前主流的异步电机牵引系统类似，永磁同步牵引系统是交流传动的另外一条技术路线。与异步电机相比，永磁同步电机效率更高，功率密度更高。

2.1 高效节能

永磁同步电机的转子上安装有永磁铁，无需励磁电流和转子铜耗，因此可以实现更高的功率因数和更低的定子铜耗，基本消除了转子铁耗。因此永磁同步电机的效率可高达97%。相比异步电机牵引系统，永磁同步牵引系统的效率在全速度范围内均有一定提高。

采用永磁同步牵引系统节能效果约10%。相关试验包括：东日本铁路公司的103系电车20万km的试验；东芝公司的地铁车辆在东京地铁的试验；南车株洲所在沈阳地铁2号线第20列车M1车上的一台电机进行运行考核。

2.2 功率密度优势

与同等级的异步电机相比，永磁同步电机的体积和质量可以减小20%～30%，因此功率密度显著提高。在同等尺寸和质量的条件下，永磁同步电机可以实现更大的转矩，因此可以实现直接驱动，省去了齿轮箱。

可将永磁同步电机设计成全封闭结构（见图3），运行噪声明显下降，且免除了清扫电机内部的维护工作。

表1 车载储能吸收装置

2.3 发展现状

自2000年以来，欧洲和日本多家公司，如庞巴迪、阿尔斯通、东芝等，陆续开始将永磁同步电机作为牵引电机，现已有批量产品应用（见表2），这标志着永磁同步牵引系统初步进入了商业化应用阶段。在国内以南车株洲所为代表，于2012年和2014年，分别在地铁车辆上和动车组上对其永磁同步牵引系统进行考核。

图3 全封闭永磁同步电机

永磁同步牵引系统能够为轨道交通的节能减排作出积极贡献，可实现约10%的节能效果。但永磁同步电机的诸多特殊性也决定了该技术路线在应用中存在一些风险，如永磁体失磁风险，牵引系统复杂性较高，以及系统控制与故障保护上的特殊性。

迄今为止，还未有永磁同步牵引系统实现全寿命周期的运营。因此能否实现永磁同步电机在全寿命周期内的可靠运行，通过节能抵消较高的初始成本和其他附加成本，仍需时间检验。

3 轻量化

列车牵引系统、辅助供电系统是主要的车载设备。提高车载设备的功率密度（kVA/kg），降低机组质量，即降低了车辆负荷，可实现持久的节能效果。

功率密度是最能体现变流器综合技术水平的指标。功率密度越高，即轻量化水平越高，节能效果越显著。

表2 永磁同步牵引电机案例

3.1 发展现状

市场上有代表性的辅助变流器产品见表3。不同型号或平台的辅助变流器功率密度从0．09到0．32，差异巨大。日系平台的功率密度约为0．1级别。

普遍来说，诞生年代越新，功率密度越高。如西门子的新一代平台MTP_MF比旧平台HBU_MT的功率密度从0．1提高到0．14水平。

Knorr的电源子公司Power Tech和SMA的辅助变流器产品功率密度已经高达0．3级别。

假定既有车辆采用130 kVA的东芝变流器，质量为1 410 kg，功率密度0．09。若功率密度提高到0．2和0．3，则将分别减重760 kg和977 kg。

功率密度的提高、机组的轻量化，已成为车载变流器的发展趋势。

3.2 轻量化的途径

（1）高频化。通过采用新器件或者改进功率模块的热设计，提高机组的工作频率。即可采用高频元件替代感性元件，包括变压器、电抗器和电容器，从而显著降低设备重量，提高功率密度。

（2）箱体轻量化。铝合金由于其质量轻、耐腐蚀等优点，已经在铁路客车尤其是高速动车组上得到了广泛应用。采用全铝合金箱体，或者采用混合材料箱体，尽可能降低箱体质量。同时箱内设计更加紧凑，减小箱体体积，从而实现减重。ABB、克诺尔、三菱企业的车载变流器都采用铝合金箱体。在追求轻量化的背景下，铝合金箱体将得到越来越多的应用。

工业界大量的案例表明，越是小巧的产品，越是优异和出众。轻量化的车载变流器可减低车重，实现节能。轻量化将是城市轨道交通牵引系统技术发展的重要方向之一。

表3 城市轨道交通辅助变流器

4 新半导体器件的应用

“一代器件决定一代控制”是电力电子领域的共识。半导体器件的换代将导致变流器发生革命性的变化。以SiC为代表的宽禁带半导体器件即为下一代功率半导体器件。

当前主流的半导体功率器件都是硅（Si）材料，但业界对硅材料性能的利用已接近极限。SiC材料作为下一代半导体材料，使得SiC器件具备革命性的优点：更高开关速度、损耗低、耐高温、关断拖尾电流小等。换句话说，SiC器件使得变流器可工作在更高开关频率，实现轻量化；器件本身损耗降低和耐受高温，使得变流器效率更高或者降低对冷却的需求。

近10年来，SiC器件的应用成为各大企业、科研机构的研究热点。CREE、ROHM、英飞凌、三菱等主流功率半导体公司接二连三推出新一代产品，竞争下一代功率半导体器件的主动权。当前纯SiC器件已达1 700 V/800 A等级，混合型的SiC器件已达1 700 V/1 200 A等级。该等级的器件可应用于低电压等级的功率模块（600 V DC、750 V DC）。日系企业（东芝、三菱、日立）均已推出采用SiC器件的地铁变流器样机。

在可预见的未来，宽禁带半导体器件必将成为电力电子领域的主流。这将极大地有利于列车牵引系统（包括辅助供电系统）的节能降耗。

5 结束语

围绕节能降耗的主题，从4方面展望城市轨道交通牵引系统技术发展前景：

（1）车载储能吸收装置回收制动能量有20%～30%的节能效果；

（2）永磁同步牵引系统可实现更高效率，有10%的节能效果；

（3）牵引系统和辅助供电系统的轻量化可减少车辆载荷，实现节能效果；

（4）新一代的半导体器件（SiC）对整个变流器领域可能带来的革命性变化。

以上方面并非各自独立，而是相互交叉、相互影响的，其技术成熟水平也不同。储能吸收装置相对比较灵活，既可以对既有车辆进行改造，也可对地面的供电设备进行改造，但是该技术能否普及仍取决于储能技术能否有重大突破，成本能否显著降低；轻量化是车载变流器新产品的发展方向；永磁同步牵引系统已初步进入产业化阶段；SiC器件的成熟应用仍需一定时间。

一项新技术能否走向普及，不仅取决于技术成熟水平和节能效果的高低，更需关注的是，承载该技术的产品能否在全寿命周期内降低成本。也就是说，除了考虑节电本身，更要考虑其整个寿命周期内，节电能否抵消新设备的投资、可能增加的检修维护成本等诸多因素，从而实现总成本的下降。只有实现在全寿命周期内总成本的下降，这项技术才有内在的生命力。

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刘伟志：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，研究员，北京，100081/ 100094

马颖涛：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，助理研究员，北京，100081/ 100094

责任编辑 卢敏

U260.13；U231

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1672-061X（2015）04-0029-04