新一代智慧型城市轨道交通牵引供电系统的创新理念与实践

刘 建，刘志刚

1 研究背景

我国城市轨道交通经过几十年的发展已经取得了举世瞩目的建设成就。如何抓住机遇，借助国家对城市轨道交通大发展和国家一带一路战略“走出去”的东风，服务国家和国际重大需求，将我国城市轨道交通牵引供电技术装备的研究、制造及系统集成水平走向世界前列，并努力创新，建立世界最先进水平的技术体系，引领行业技术发展，为此笔者有如下4个方面的发展思路：

1）坚持需求导向和问题导向。国家的重大需求给城市轨道交通研制重大装备与系统集成技术创造了巨大的发展机会，通过创新，满足不断增长的社会需求。

2）加强装备技术研究，促进科技成果转化，有计划分层次地布局研究，将基础研究、技术研究、装备制造、系统集成有机融合。

3）经济和技术指标是衡量技术装备是否有生命力的不可或缺的两个重要方面，全生命周期的经济技术指标是系统具有可持续性的重要标志。

4）新技术的发展必然会催生新标准的制定，通过研发新技术装备和建立新的技术体系，及早推进新的国家标准的制定，占领本领域的制高点，让中国标准走出去，甚至成为国际标准。

以节能为目的的城市轨道交通能馈式牵引供电系统，已经被业内普遍接受并正在规模化推广。如何在此基础上加大创新力度，对牵引供电系统做根本的改变，在系统功能、供电性能、可靠性与使用寿命、智能化及综合建设成本等方面取得综合最优，是我们目前面临的巨大创新机遇。

轨道交通的巨大需求为牵引供电系统装备制造和系统集成提供了广阔空间，电力电子技术的最新发展和器件水平的提高与成本的降低使得先进的电能变换拓扑应用成为可能；现代网络科技和计算机技术的发展为系统装备制造信息化打下了坚实基础；以控制科学为基础的智能化最新科技成果为牵引供电系统装备的升级换代提供了有力的支撑；几十年的运营经验积累、系统集成技术积累和行业技术与管理人才积累为产生世界顶尖的技术成果和系统综合的技术装备做好了必要的准备。

2 存在问题与创新理念

2.1 存在问题

我国城市轨道交通已经取得了巨大成就，并且前景广阔，但是随着研究和应用的深入，笔者发现当前城市轨道交通牵引供电系统存在着如下一些问题和不足：

1）系统采用“打补丁式”的解决方案。为了解决制动能量回收、功率因数补偿和接触网融冰等问题，分别引入了中压能馈装置、SVG（基于大功率逆变器的动态无功补偿装置）、融冰装置等一系列装备，造成系统结构复杂，建设投资大，不利于系统的简化和可靠性的提高，给运营维护带来困难。

2）缺乏系统综合优化，能源的利用率未达到最大化。没有充分考虑列车的因素，即载荷因素，缺乏车地一体化设计优化理念，不利于最大限度地发挥列车的再生制动能力和再生能量再利用能力，没有从系统的角度优化设计中压能馈装置的容量。

3）智能化程度不高。缺乏对设备故障点的精准定位以及故障分析，更做不到对关键部件的寿命预测，因而无法做到基于大数据的辅助维护维修。

4）现有的技术标准不能反映最新技术发展。新技术的不断应用，亟待相关部门制定相关技术标准。

因上述问题，造成供电系统结构复杂、建设成本高、节能效果差、维护维修不便、运行成本高等问题。

2.2 系统最优理念

1）整体优化，综合最优。以系统整体优化为目标，优化设计牵引供电系统设备布置和容量配置。

2）牵引供电设计考虑车辆动态载荷特性，以获得最优的牵引供电品质。

3）结构最简。简化供电系统结构，减少设备种类，降低综合建设成本和后期运营维护成本。

4）性能增强，供电品质提高，电压波动小，谐波含量低。

2.3 系统集成

系统集成应综合考虑最新技术发展、建设成本因素及运营维护维修成本因素，是一个系统工程。系统集成反映城市轨道交通的需求，体现系统技术性及经济性，将直接影响系统的应用和可持续发展。

2.4 经济合理性

系统的经济性将影响行业的可持续发展，因此降低综合建设成本和减少使用维护成本是非常必要的。

3 新一代智慧型牵引供电系统

科技进步使得城市轨道交通牵引供电系统的升级换代成为可能。

3.1 核心技术来源

高铁和城轨牵引供电及传动系统结构如图 1所示，对比发现，二者都属于“交直交”的变流系统，存在很大的相似性。区别在于：高铁的交流变直流采用四象限变流器，并且在车上；城轨的交流变直流采用二极管整流器，在地面变电所内。 目前城轨供电系统存在的再生制动能量浪费、电压波动大等问题都与采用二极管整流器及能量无法双向流动有关。

为此，新一代牵引供电系统在变流装置上应进行大胆创新，建议采用四象限变流技术，部分取代甚至完全取代能量单向流动的二极管整流器。

3.2 牵引供电系统“四代”的划分

城市轨道交通牵引供电系统采用直流供电模式，动车牵引所用的直流电来源于地面供电所的交直流电能变换，这种方式一直运用至今。为了直观分析城市轨道交通牵引供电系统的发展过程，根据牵引供电系统具备的功能，对其进行“四代”划分，如图2所示。

图1 高铁和城轨牵引供电及传动系统结构对比Fig. 1 Comparison of structure of traction power supply and transmission system of high-speed rail and urban rail transit

图2 牵引供电系统四代划分Fig. 2 Division of traction power supply system of four generations

1）第一代：以24脉波二极管整流器为核心的交直流变换。由于二极管整流器的电流具有不可逆性，地铁车辆的制动再生能量只能被在车辆或地面设置的再生能耗吸收电阻消耗掉，浪费了能源的同时还增加了环控负担，形成了环控的二次耗能。除此之外，由于二极管整流的不可控性，使得直流网压波动范围大，供电品质差。

2）第二代：为解决制动能量不能充分利用的问题，引入四象限变流技术，很好地解决了车辆制动能量回收再利用的问题。经过低压能量回馈的过渡，近三四年逐渐推广的中压能馈系统因节能效果显著、工作性能稳定而得到了业界的充分肯定。

3）第三代：尽管第二代很好地解决了车辆再生能量回馈利用的问题，但是四象限变流器的功能没有得到充分发挥。四象限变流技术具有可控的电能交直变换、直交变换以及无功调节功能。第三代就是充分利用了这些功能，实现了集制动能量回收利用、可控整流提高供电品质及功率因数补偿三个功能于一体，从而实现了系统结构简化、功能增强、供电品质提高、综合建设成本和使用维护成本降低的目标。

4）第四代：在保持第三代优点的基础上，采用完全的四象限变流技术供电，使得系统结构进一步简化和优化；引入在线智能融冰功能；强化装置与系统的智能故障诊断功能以及智能寿命预测功能，为装置的状态修做好技术基础准备。

其中，第二代技术已经应用成熟，第三代目前正在推广，第四代处于研发当中。第四代高度智能化的牵引供电系统也是未来的发展方向，“四代”牵引供电系统技术及经济指标对比如表1所示。

3.3 新一代牵引供电系统的特征与评估评价

新一代（即第四代）牵引供电系统结构如图3所示，整合了牵引供电、能量回馈、无功补偿和接触网融冰四大核心功能。

表1 技术及经济指标对比Tab. 1 Comparison of technical and economic index

3.3.1 系统特征

新一代城市轨道交通牵引供电系统，充分发挥了四象限变流器的双向变流功能，因此牵引供电系统结构大大简化了，牵引供电性能也大大提高了。这种系统层面的创新直接导致综合建设成本的降低、使用维护的简便和费用的减少。

基于大数据的智能化新技术的采用，也为在整条线路层面上的能源管理、系统设计、维护维修策略、人员配置等提供了最为直接可信的数据支撑。

新一代牵引供电系统的特征将包括：系统结构简化、供电品质提高、节能效果显著、智能化水平提高、综合建设成本降低、运营维护成本降低、灵活性和可扩展性强等。

图3 新一代牵引供电系统示意Fig. 3 Schematic diagram of new generation traction power supply system

3.3.2 系统的评估评价

一个先进的城市轨道交通牵引供电系统，至少应该包括7个方面的评估：供电质量、节能效果、谐波含量、功率因数、可靠性与寿命、综合造价、使用维护成本等。

1）提高供电质量。发挥车辆在大发车密度前提下的列车通过能力，有利于提高车辆的运行效率。

2）节能。通过列车制动能量回馈、车地优化协同控制、先进器件与电路、牵引电机的最优励磁控制等，从牵引供电系统的不同位置测试节能量，其结果有很大的差异，这将直接影响对系统节能效果的准确评价。列车制动能量回馈到中压网还是高压网，将直接影响地铁用户的经济效益。

3）所节电能的质量，包括谐波含量、回馈电能对电网的冲击、负序和零序电流。

4）功率因数补偿。采用分散式功率因数补偿及分配补偿容量。

5）系统可靠性。器件的质量、电路拓扑（三电平还是两电平）、电磁兼容设计（等级）、正确的使用等因素影响系统装置的可靠性。

6）综合造价，包括系统容量配置及站间距等因素。通过大数据分析，掌握能源利用规律，可为节能策略及系统容量设计提供依据，降低综合造价。

7）使用维护成本，指使用设备的消耗和维修保养成本。通过寿命预测，可为系统装置的状态修提供技术支持，降低使用维护成本。

4 关键核心技术

4.1 最优容量配置技术

最优容量配制技术框图见图4所示。

图4 最优容量配置技术框图Fig. 4 Block diagram of optimal capacity-configuration technique

4.2 谐波抑制技术

综合运用多种手段，确保交流电网电能质量优于IEC及国家相关标准要求，降低成本。除了综合考虑四象限变流器的电感取值及PWM（pulse width modulation，脉冲宽度调制技术）谐波消除方法外，还采取了先进的谐波对消技术。为了进一步降低谐波，采用先进载波移相技术，使多个模块之间实现谐波对消，如图5所示。

对不同逆变器的SVPWM（空间矢量脉宽）调制方法，使各单元的正弦调制波采用相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度，从而使每个单元输出的SVPWM脉冲也错开一定的角度，降低电流谐波。

4.3 再生制动能量优化利用技术

基于分布式协同吸收技术，将列车再生制动能量分别反馈到两段交流母线，使再生制动能量在地铁系统内部更好地被利用，降低电能反送城市电网的概率，如图6所示。

图5 载波移相Fig. 5 Carrier phase-shifting

图6 再生制动能量优化利用技术Fig. 6 Technique of optimal utilization of regenerative braking energy

4.4 功率因数补偿技术

利用变流器的四象限运行能力，发出所需大小的无功功率，在功能上取代传统的主变电所的专用无功补偿装置，提高系统功率因数，使得牵引供电系统功能完善、设备简化、建设成本降低，如图7所示。

4.5 车地一体化技术

采用车地一体化节能控制技术，基于多目标优化理论，在保证制动力正常发挥以及列车制动安全性的前提下，通过地面装置和车辆的控制参数匹配，实现列车再生制动能量的最大发挥，如图8所示。

4.6 在线智能融冰技术

对于在地面运行的城市轨道交通会出现接触网结冰的问题，传统的方法需要专用设备和专门的人工操作，并且无法解决运行过程中的在线融冰问题。本方案在不增加任何设备的前提下，通过增强控制模式即可实现在线智能融冰功能，有效地保障了城市轨道交通在特定环境条件下的正常运营，如图9所示。

图7 分布式无功补偿Fig. 7 Distributed reactive compensation

图8 车地一体化技术Fig. 8 Vehicle-ground technology

图9 在线智能融冰示意图Fig. 9 Schematic diagram of online smart de-icing

4.7 牵引供电系统的电磁兼容性

牵引供电系统中的主电路和基于网络的智能化控制越来越多地采用了以计算机为核心的电子控制系统，以及与之相配套的网络系统。电磁兼容性技术是保障系统可靠性和稳定运行的关键。

城市轨道交通牵引供电系统是高等级负荷，对可靠性及安全性要求较高，因此在选择电磁兼容相关标准上应该采用较高等级。

4.8 大数据采集及分析

建立对城市轨道交通牵引供电系统的大数据分析有如下3个方面的意义：

1）对已知规律的量化。通过对大数据的分析，统计运行规律，建立因果关系，如通过对大数据的分析，寻找出系统能耗与客流量、供电制式、车型、环境温度与湿度、线路的坡道与弯道、运营组织模式等之间的相关函数关系。

2）通过对大数据统计分析发现未知，获得目前我们的认知还没有意识到的运行规律，对系统设计及运营有重要参考依据。

3）预测未来某些量的发展趋势。通过对大数据的分析，可以较为准确地获得将来某些系统参数的变化趋势，为更好地应对某些变化做好思想上、设备上和管理上的准备，甚至能有效避免某些安全事故的发生。

对于城市轨道交通牵引供电系统可做如下的研究和尝试：基于“大数据”的牵引系统能耗模型及节能措施；基于“大数据”的列车辅助系统能耗模型及节能措施；牵引供电系统动态供电规律研究，等等，如图10所示。

图10 基于“大数据”的城轨信息综合分析系统Fig. 10 Synthetic analysis system of urban rail transit information based on big data

4.9 智能故障诊断与寿命预测

实时监控及采集牵引供电系统关键部件的特征量数据，通过对特征量数据的长期累积，形成包括电压、电流、功率、温度等多特征量的大数据。通过对大数据的深入挖掘，构建关键部件寿命模型，建立其总体老化、损伤及安全度与特征量的对应关系。在此基础上，实现对部件寿命的在线实时判断，根据安全健康度的评估结果指导实施预防性动态维护与状态修。基于大数据的寿命预测技术包括累积损伤技术和特征量辨识技术，如图11～12所示。累计损伤技术是通过检测器件承受的电压电流冲击和应力，以及温度变化情况，结合部件自身的失效模型，完成关键部件剩余寿命预测及系统健康状态评估。特征量辨识技术是实时监控及采集牵引和供电系统关键部件的特征量数据，特征量数据经过长期累积，形成包括电压、电流、功率、温度等多特征量的大数据。通过对大数据的深入挖掘，构建关键部件寿命模型，建立其总体老化、损伤及安全度与特征量的对应关系。在此基础上，实现对部件寿命的在线实时判断，最终根据安全健康度的评估结果指导实施预防性动态维护与状态修。

图11 累积损伤技术Fig. 11 Cumulative damage technology

图12 特征量辨识技术Fig. 12 Feature identification technology

5 结语

综上所述，本文介绍了一种国际先进理念的城市轨道交通牵引供电系统，系统具有结构简单、可靠性高，多种功能整合（能量回馈、牵引供电、无功补偿，智能融冰），智能化水平大幅提升，建设成本和使用维护成本降低，可扩展性强（ 免费升级）等特点。

本文所述系统从基础技术出发，既有基础理论创新，又有系统集成创新，其应用推广将对现有城市轨道交通牵引供电系统进行重要升级。因此，及时组织行业标准乃至国家标准的制定，对建立具有完全自主知识产权的技术体系与标准体系是非常必要的。对响应国家走出去倡议、提高我国的国际声誉和扩大国际影响具有非常重要的意义。

除了上述关键技术方面的研究外，还需要对城市轨道交通牵引供电系统的评估评价体系进行研究，建立既有科学性又有可操作性的评估体系，重点评估系统功能与性能、综合建设成本和周期、使用维护成本、节能效果及全寿命周期经济技术等方面指标，进一步促进城市轨道交通牵引供电系统的发展和建设。

城市轨道交通牵引供电系统是一个涉及多个学科和专业的系统工程，需要“政产学研用”的协同创新，以达到系统的功能、性能、建设成本的综合最优。及时推动和促进升级换代技术的推广应用，必将对高质量的城市轨道交通建设起到积极作用。

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