地铁列车节能技术应用研究

吴彩秀，李红佗，庄舜雄

（深圳地铁运营集团有限公司 ，广东深圳 518040）

1 引言

地铁是大容量公共交通基础设施，是城市引导承载绿色低碳出行的骨干交通方式。随着近几年中国城市轨道交通行业迅猛发展，截至2022年6月，国内（不含港澳台）共有51个城市开通运营277条城市轨道交通线路，运营里程9 067 km。深圳地铁全线网运营里程已达388 km（不含港铁运营线路和有轨电车），日均客流545 万人次/日，单日全线网总客运量最高达到772万人次[2]。预计在2022年年底开通新线后，深圳地铁全线网运营里程将达到546 km。

随着深圳地铁线网不断扩展及客流不断增长，地铁列车牵引能耗日渐增大，2021年全年地铁总能耗约16×108kW·h，其中牵引能耗约8.3×108kW·h，占比高达52%。开展节能技术的应用与研究对“双碳”战略下的节能减排具有重要意义。因此，绿色低碳已逐渐成为城市轨道交通行业面临的历史性任务，也是城市轨道交通发展的重大战略。地铁车辆作为城市轨道交通中的重要组成部分，绿色、低碳、节能必然会成为未来的发展方向。

2 节能技术应用

深圳地铁在运营开通伊始，对照明灯具[3]、空调[4]及辅助逆变器[5]等功耗较高的设备，依据性能更优、能耗更低及全寿命周期成本更低的基本理念，通过市场调研及自主创新等方式拓展节能技术应用。经过研究试用，目前已实现发光二极管（LED）照明灯具、变频空调、无触点逻辑控制单元（LCU）等节能技术的推广应用。

由于地铁运营客流潮汐变化特征明显，碳化硅、稀土永磁材料制造成本随着制造技术成熟也在逐年下降，未来节能方向将主要集中于列车运营编组方式优化及新材料应用方面，本文对深圳地铁目前试点开展的全碳化硅牵引逆变器，永磁同步电机及正在探索的运营模式调整思路进行分析研究。

3 全碳化硅牵引逆变器

3.1 全碳化硅开关器件技术特点

地铁列车牵引逆变器为列车运行提供动力，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是牵引逆变器的核心器件，传统IGBT芯片采用硅材料制造，硅基IGBT牵引系统存在开关频率较低（500 Hz）、功率密度较低、体积相对较大等不足，并面临重量相对较重、电机轴电压高、电机温升高及运行噪声大等问题，硅基IGBT器件开发已经接近极限。

全碳化硅（SiC）器件与传统硅基（Si）器件相比，具备高频低损、高功率密度以及高允许结温等技术特点，开关频率由500 Hz提升至2 000 Hz，较硅基IGBT器件提升4倍；开关损耗降低10%以上；散热性能提升约30%；重量降低15%；体积减少10%。

3.2 全碳化硅牵引逆变器实验

装有国内首台全碳化硅牵引逆变器的A型地铁列车在深圳地铁1号线试运行，截至目前，实验列车已安全运行19×104km。动态性能测试情况主要如下[6]。

（1）牵引制动性能。在平直轨道上进行牵引制动性能测试，经核算0～60 km/h起动平均加速度为1.022 m/s2（≥1 m/s2），0～80 km/h起动平均加速度为0.907 m/s2（≥0.9 m/s2），60～0 km/h制动平均减速度为1.089 m/s2（≥1 m/s2），80～0 km/h制动平均减速度为1.078 m/s2（≥1 m/s2），均满足性能要求。

（2）轴电压测试。列车从0速开始以最大牵引力加速至59 km/h，惰行3 s，再以最大常用制动力减速至0 速，记录全碳化硅及硅基系统的轴电压数据，通过分析全碳化硅系统轴电压平均降低约12.7 V，测试情况如图1所示。

图1 轴承电压峰值测量结果

（3）车厢内噪声。将噪声探头布置于站立乘客可到达的区域中心，距离列车地板1.5 m高的位置，切除背景噪声并启动硅基与全碳化硅牵引逆变器。通过测试各频程的噪声，运用计权算法，得出噪声平均下降约5 dB（A），测试情况如图2所示。

图2 噪声测试

（4）变流器模块及电机温升。在走行风冷散热片两侧及中间布置15个热电偶，于车厢内使用无线数据记录仪，记录散热器升温情况，测试全碳化硅模块散热器温升约14.05 ℃，硅基模块散热器温升约 22.39 ℃。通过正线进行3 h最高速度25 km/h的温升试验，分别记录硅基IGBT器件牵引系统电机铁芯温度以及全碳化硅器件牵引系统电机铁芯温度，数据表明，全碳化硅器件牵引逆变器电机温度接近稳定为80 ℃，温升为50 K，硅基IGBT器件牵引逆变器电机温度达到121 ℃，温升为91 K，全碳化硅牵引逆变器电机温升较硅基IGBT器件牵引逆变器温升低40 K。测试情况如图3所示。

图3 电机温升测试

（5）能耗测试。通过能耗记录仪分别测量硅基IGBT器件和全碳化硅器件牵引系统牵引能耗、再生能耗以及总能耗，数据表明，当车速不高于35 km/h时，全碳化硅器件工作在高频模式，开关频率为2 kHz，牵引逆变器节能49.4%；当车速高于35 km/h时，全碳化硅器件进入分段调试模式，开关频率最低到200 Hz，牵引逆变器节能15.24%。测试情况如表1所示。经测算，全碳化硅牵引逆变器较硅基IGBT牵引逆变器，在自动列车运行模式（ATO）空载情况下能耗降低15.2%、在低速段（速度不高于35 km/h）空载情况下能耗降低49.4%、电机温升降低40 K以上、噪声下降5 dB（A）、电机轴电压降低12.7 V。

表1 正线能耗测试结果

实验证明，采用全碳化硅材料作为功率器件的牵引系统可实现能耗降低，同时牵引电机轴电压的降低亦可改善因轴承轴电压引起的电腐蚀问题，延长轴承使用寿命，达到降低碳排放及运营成本的目的。

4 永磁同步电机应用

在深圳地铁10号线选取10列车，安装钕铁硼永磁材料的永磁同步电机牵引系统，跟踪比较与三相异步电机牵引系统列车的耗能，并分析节能效果。

永磁同步电机牵引系统采用5动3拖，共有5台牵引逆变器及20台永磁同步电机，三相异步电机牵引系统6动2拖，共有6台牵引逆变器及24台三相异步电机。故永磁同步电机牵引系统列车较三相异步电机牵引系统列车减少1台牵引逆变器及4台电机[7]。经测算，5动3 拖的永磁同步电机牵引系统列车（牵引逆变器箱体+牵引电机）总重量约16.7 t，6动2拖三相异步电机牵引系统列车总重量约19.9 t，减重约16%。5动3拖永磁同步电机牵引系统对于列车减重和能耗降低具有优势。

4.1 永磁同步电机技术特点

永磁同步电机采用永磁材料嵌入电机转子，使转子存在初始磁场。在静止状态下，每台电机的起始磁场方向不一致。定子结构与三相异步电机一致。因永磁同步电机转子无需励磁，即定子线圈产生的旋转磁场直接带动永磁体转子转动，与三相异步电机相比，减少铜线圈使用及热损耗，其高效区（效率不低于90%）较三相异步电机提升25%，额定效率提升5%。永磁同步电机转子如图4所示。

图4 永磁同步电机转子

转子采用全封闭结构，内部无散热通风孔，使其噪声更低。经地面测试，永磁同步电机在0～1 900 r/min转速时，比三相异步电机噪声降低约5.5 dB（A），在1 900～4 000 r/min转速时，比三相异步电机噪声降低约0.1 dB（A）。永磁同步电机噪声测试结果如图5所示[7]。

图5 永磁同步电机与三相异步电机噪声对比

4.2 永磁同步电机牵引系统技术特点

永磁同步电机牵引系统因每台永磁同步电机静态下转子初始磁场差异，所以牵引逆变器输出侧必须采用轴控方式；同时在牵引逆变器与每台永磁同步电机之间增加隔离接触器，用以防止永磁同步电机短路后的反电势对牵引逆变器或电网电压冲击。永磁同步电机牵引系统结构示意图如图6所示。

图6 永磁同步电机牵引系统结构示意图

4.3 永磁同步电机牵引系统应用能耗对比

通过每月对列车能耗数据采集及统计分析，2022年1月至4月，三相异步电机牵引系统列车平均牵引能耗约7.80 kW · h/km，单节动车平均牵引能耗约 1.30 kW · h/km。永磁同步电机牵引系统列车平均牵引能耗约4.61 kW · h/km，单节动车平均牵引能耗约0.92 kW · h/km，单节动车节能约29%。数据对比如图7所示。

图7 永磁同步电机与三相异步电机牵引节能数据对比

实验证明，在深圳地铁10号线8编组应用中，永磁同步电机牵引系统列车因使用永磁转子代替三相绕组转子，具有重量降低、效率增高的优势，经实际运营数据对比，其在节能效果上明显优于三相异步电机牵引系统，达到节能减排及降低运营成本的目的。

5 其他节能技术应用

5.1 新材料技术应用

除全碳化硅牵引系统、永磁同步电机外，深圳地铁在其他部件选型用材方面研究质量更轻、性能更优且更环保的材料设备，进一步降低车辆整体质量[9]。如列车铝合金空调机组，一台机组约重200 kg，相比较不锈钢材质310 kg可降低110 kg，整列车可降低1.32 t（6编组）或1.76 t（8编组），并计划在深圳地铁11号线120 km标准A型车进行装车测试。

除此之外，深圳地铁在控制系统应用无触点控制单元替代传统继电器，座椅挡风玻璃应用聚碳酸酯代替钢化玻璃，顶板、柜门应用铝蜂窝铝板代替实心铝板等技术升级方案，以此降低整车重量，进而降低列车运营耗能，达到节能降耗目标。

5.2 列车节能运行模式

2011年—2015年，在深圳地铁1号线从优化运输组织方面研究列车节能运行模式。通过数据采集分析，在空载（AW0）工况下，相比最大运行速度80 km/h，以70 km/h作为最高速度运行可降低总牵引能耗7.6%，单程运行时间仅增加39 s；以65 km/h作为最高速度运行可降低总牵引能耗20.3% ，单程运行时间增加161 s[10-11]。节能效果对比如表2所示。

表2 不同运行速度下节能效果

2019年—2021年在深圳地铁7号线开展试点研究，通过梳理早点频发的车次及站点，优化其列车自动监控系统（ATS）的运行等级，优化同一供电分区内运行的列车进站与出站作业时间最大程度重叠方式，完成单车运行图、多车运行图技术研究及测试，结果表明，单车能耗降低1.7%，多车能耗降低5.78%[12]。

5.3 灵活编组技术方案研究

轨道交通潮汐客流特点显著，存在高峰期间列车满载率高、平峰期间列车满载率低的特点，造成运力和能耗浪费。经研究分析，按线路平峰占比60%计算，在同一运行图运营情况下，平峰期3编组列车代替6编组列车运行的方式，节能效率达40%。目前深圳地铁已将其作为新车设计研究方向，评估适合深圳地铁的灵活编组技术方案。灵活编组运行模式示意图如图8所示。

图8 灵活编组运行模式示意图

除文章所述之外，从列车质量、信号控制及运营模式方面，仍存在节能优化空间，如选用质量轻的材料或新技术方案降低整车重量，所需的牵引能耗亦可减低；信号控制方面，通过多列车牵引及制动配合，使同个供电臂下，再生制动电能用于其余列车的牵引电能，可减少电网的输出电能；运营模式方面，将平峰短编组作为未来节能发展的基础方向，以增加满载率，解决长编组未满载造成电能浪费的问题。

6 结语

针对城市轨道交通绿色、节能、低碳发展的时代背景，结合深圳地铁实际应用场景，开展全碳化硅牵引逆变器及永磁同步电机等新技术的研究，验证新技术在减重、降噪及节能等方面的效果。另外在设备材料减重、ATO运行模式优化及运营编组制式上亦开展了相关研究，目前科研成果的实际落地应用方案正在稳步推进。

同时，深圳地铁在节能技术方面已推广应用了成效明显的LED照明、变频空调及高频辅助逆变器等节能技术；为采用全碳化硅器件、永磁材料新技术的牵引逆变器及牵引电机开展科研项目，用以收集运营及节能效果数据，可作为行业节能技术发展参考。再者，列车正线运营节能运行模式及灵活编组的技术方案，因受城市线路特征、运营列车数及客运量等差异影响，目前仍未有统一的技术方案或算法得出最佳运营方案，未来需车辆系统持续与通号、隧道及供电系统进行匹配，研究适合特定线路的运维模式。