轉(zhuǎn)載 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)無觸網(wǎng)趨勢

1、轉(zhuǎn)載 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)無觸網(wǎng)趨勢轉(zhuǎn)載城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)無觸網(wǎng)趨勢的探討 2011年11月06日城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)由牽引整流機(jī)組、直流開關(guān)柜及牽引網(wǎng)構(gòu)成，承擔(dān)著向電動列車提供牽引電能的任務(wù)。牽引網(wǎng)的弊端顯而易見。架空接觸網(wǎng)宜出現(xiàn)斷線、刮弓、雷擊斷電等電源不可靠現(xiàn)象，對正常運(yùn)營構(gòu)成潛在危害，且存在城市景觀問題。接觸軌則因意外觸摸、區(qū)間維修以及乘客疏散等安全隱患，不受行業(yè)歡迎，且不適用于電動列車速度高于120km/h運(yùn)營線路。 由于電動列車的外部電源設(shè)備沒有出現(xiàn)技術(shù)性變革，牽引網(wǎng)仍以向電動列車提供牽引電能的唯一方式被世界所采用。隨著超級電容、動力型蓄電池等新型大功率儲能元件的

2、研發(fā)及試驗(yàn)，必將影響到牽引網(wǎng)的存在，且?guī)砑夹g(shù)與工程上的優(yōu)勢。 1牽引網(wǎng)的現(xiàn)狀 接觸網(wǎng)擔(dān)負(fù)著把從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電動列車使用的重要任務(wù)，因此接觸網(wǎng)的質(zhì)量和工作狀態(tài)將直接影響著電氣化鐵道的運(yùn)輸能力。由于接觸網(wǎng)是露天設(shè)置，沒有備用，線路上的負(fù)荷又是隨著電動列車的運(yùn)行而沿接觸線移動和變化的，要求接觸網(wǎng)無論在任何條件下，都能保證良好地供給電力機(jī)車電能，保證電力機(jī)車在線路上安全，高速運(yùn)行，并在符合上述要求的情況下，盡可能地節(jié)省投資、結(jié)構(gòu)合理、維修簡便、便于新技術(shù)的應(yīng)用。 1.1 電動列車制動技術(shù) 電動列車的制動系統(tǒng)均采用動力與機(jī)械相結(jié)合的組合式制動系統(tǒng)，其中動力制動起主要作用。動力制動包含

3、再生制動和電阻制動，動力制動階段初期，正常情況下再生制動使用優(yōu)先，當(dāng)再生制動的條件不滿足運(yùn)行或繼續(xù)運(yùn)行條件時(shí)，電阻制動投入并以熱能形式消耗掉列車再生制動能量1。 電動列車的動力制動系統(tǒng)意味著有部分再生制動能量被浪費(fèi)掉。上海2號線北新涇站至威寧路站區(qū)間，平峰時(shí)段內(nèi)1次電阻制動所消耗的能量約為0.108kW·h，高峰時(shí)段內(nèi)則為0.124 kW·h2。隨著列車編組增加、發(fā)車時(shí)間間隔較大，在電阻制動上浪費(fèi)的再生能量將越來越大。 當(dāng)前，為最大限度地回收再生制動能量或避免制動電阻產(chǎn)生的熱量散發(fā)至隧道內(nèi)，國內(nèi)項(xiàng)目對此做了很多方面的研究與對比，技術(shù)措施多為將車載制動電阻拆除后、車站內(nèi)設(shè)置再

4、生制動能量吸收裝置（簡稱“吸收裝置”），如電容儲能型、電阻消耗型、電阻+逆變組合型、變流型及飛輪型等。 1.2 吸收裝置特征分析 當(dāng)前，國內(nèi)所有線路及國外傳統(tǒng)線路，電動列車將再生制動能量上傳至牽引網(wǎng)，通過變電所吸收裝置進(jìn)行處理，處理結(jié)果呈多樣化：向牽引網(wǎng)反饋直流牽引電能；向交流供電系統(tǒng)反饋；以熱量形式消耗掉。吸收技術(shù)有如下特征： 1）吸收裝置安裝于電動列車之外，電動列車不再配置制動電阻。 2）吸收裝置設(shè)置于變電所內(nèi)部時(shí)，設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，并增加土建和自動滅火系統(tǒng)（地下變電所）等配套設(shè)施。 3）吸收裝置設(shè)置于地面，與風(fēng)亭或車站出入口亭結(jié)合時(shí)，涉及征地或景觀問題。 4）向電動列車提供牽引電能的牽引

5、網(wǎng)仍為完整保留，對于沿線景觀要求苛刻的線路，又帶來新的、有爭議問題，且牽引網(wǎng)無備用性。 國內(nèi)線路的吸收裝置多采用電阻消耗型或電阻+逆變組合型，電容儲能型的使用實(shí)例屬于個(gè)例?；蛘?，車站預(yù)留吸收裝置的安裝空間。 國外在逆變技術(shù)應(yīng)用方面較為成熟，如日本、德國等。德國巴伐利亞楚格峰旅游線，2006年?duì)恳冸娝O(shè)置了逆變器，將再生制動能量反饋至交流電網(wǎng)6。 1.3 牽引網(wǎng)的弊端 牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)和回流軌構(gòu)成，是牽引供電系統(tǒng)與電動列車之間的“橋梁”，自世界第一條地鐵誕生以來，牽引網(wǎng)便同時(shí)出現(xiàn)。牽引網(wǎng)制式可以選擇的類型較多：柔性架空接觸網(wǎng)、剛性架空接觸網(wǎng)以及接觸軌。 1）牽引網(wǎng)作為牽引電能的載體，自身存在無法

6、消除的線路功率損耗。 某線路為6節(jié)B型車編組、高峰時(shí)段30對/h、平峰時(shí)段20對/h、回流軌為60kg規(guī)格，牽引電壓DC1500V。牽引網(wǎng)自身功率消耗計(jì)算估值見表1、2。 表1 牽引網(wǎng)平峰時(shí)段的單位能耗值 序號 牽引網(wǎng)制式 單位功率損耗（kW/km） 1 鋼鋁復(fù)合接觸軌 9.1 2 剛性架空接觸網(wǎng) 13.1 3 柔性架空接觸網(wǎng) 18.6 表2 牽引網(wǎng)高峰時(shí)段的單位能耗值 序號 牽引網(wǎng)制式 單位功率損耗（kW/km） 1 鋼鋁復(fù)合接觸軌 80.8 2 剛性架空接觸網(wǎng) 116.1 3 柔性架空接觸網(wǎng) 164.5 對于20km長的線路，平峰時(shí)段的牽引網(wǎng)自身功率損耗為182372kW，高峰時(shí)段為161

7、63290kW。全年能耗為329670.4萬kW·h，約占線路總能耗的4.18.4%，牽引網(wǎng)自身功率損耗是很大的。當(dāng)前，牽引網(wǎng)功率損耗不可避免。 2）接觸網(wǎng)的造價(jià)較高。 對于DC1500V牽引電壓的接觸網(wǎng)，不同制式下的工程造價(jià)相差較大。見表3。 表3 接觸網(wǎng)工程造價(jià) 序號 牽引網(wǎng)制式 造價(jià)（萬元/km） 1 鋼鋁復(fù)合接觸軌 150 2 剛性架空接觸網(wǎng) 120 3 柔性架空接觸網(wǎng) 150 一般情況下，接觸網(wǎng)造價(jià)約占全線供電系統(tǒng)工程總造價(jià)的5%左右。造價(jià)估值與實(shí)際工程可能有所出入，但不影響本文的內(nèi)容分析與結(jié)論。 2 儲能裝置現(xiàn)狀與展望 從理論上講，電動列車通過牽引網(wǎng)的受流方式并不是唯一的

8、，電動列車也可通過車載儲能裝置實(shí)現(xiàn)行駛與制動。當(dāng)前，限于電源儲能裝置功率較小等原因，無法滿足運(yùn)量較高的電動列車（如地鐵車輛）的牽引用電需求，未來牽引網(wǎng)仍將存在較長時(shí)間。 縱觀國內(nèi)外，在超級電容、動力型蓄電池等儲能裝置研發(fā)方面已取得進(jìn)展。尤其是加拿大、德國、韓國、日本及美國等國家的產(chǎn)品研發(fā)工作已走在我國的前面。國內(nèi)尚處于起步階段。 2.1 超級電容儲能裝置 超級電容屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。 由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同，因此也有稱作“電容電池”

9、。 1）超級電容的主要特點(diǎn) 充電速度較快，充電10秒10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上； 深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)150萬次，沒有“記憶效應(yīng)”； 大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，大電流能量循環(huán)效率90%； 功率密度高，可達(dá)300W/kg5000W/kg，相當(dāng)于電池的510倍； 產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。以目前應(yīng)用情況看，更多的用于電動汽車、電網(wǎng)系統(tǒng)，少量的用于公交電車。 2）應(yīng)用實(shí)例 德國萊茵內(nèi)卡RNV公司生產(chǎn)的低地板電車即將投入使用，配置了超級電容儲能裝置。在受電弓放下后，充滿電能的超級電容儲能系統(tǒng)為車輛提供牽引電能。在432V最大

10、電壓下，每個(gè)超級電容可儲存0.49kw·h的電能3。 2003年，德國曼海姆輕軌線路做了車載儲能系統(tǒng)的測試，超級電容儲能系統(tǒng)安裝于車頂。為了對比，設(shè)定了列車的測試運(yùn)行曲線：加速至50km/h，接著惰性，然后制動。經(jīng)測試，幾乎全部的制動能量被儲存到儲能系統(tǒng)中4。 2006年，上海公交路環(huán)線電車配置了超級電容。車進(jìn)站后在乘客上下車的間隙，車載超級電容開始充電（秒鐘即完成充電），一次充電能平穩(wěn)行駛km，最高速度可達(dá)每小時(shí)公里。 2009年，上海公交26路電車；2010年，世博會期間運(yùn)營的公交專線“浦明線”，均采用了超級電容車。理論上，26路超級電容車平均每公里耗電僅0.88度，比普通電車節(jié)

11、能60，比最初設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能20。 2.2 動力型蓄電池儲能裝置 按用途劃分，動力型蓄電池是蓄電池種類的一種。動力型蓄電池一般指具有超大容量和輸出功率，可用作電動車輛驅(qū)動電源的電池。國內(nèi)外總體技術(shù)趨勢是不斷致力于新技術(shù)、新材料、新工藝的研發(fā)與應(yīng)用，持續(xù)提高電池壽命、比能量、安全性，使其在新能源領(lǐng)域中占據(jù)日趨重要的地位。 目前，在市場上應(yīng)用最為廣泛的有三類電池：鉛酸蓄電池、鋰離子電池及鎳氫電池。由于動力型蓄電池的成本高，回收并拆解處理難度大，動力型蓄電池儲能技術(shù)在日本有小規(guī)模的應(yīng)用。 1）鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池的技術(shù)特點(diǎn)適合于后備及儲能系統(tǒng)的應(yīng)用。鉛酸蓄電池相對其他的二次電池，單位電容量的成本要

12、低，且能夠大電流放電，但鉛酸蓄電池的設(shè)置空間（大容量）要求高，重量較重，耐低溫性能差。 2）鋰離子電池 目前用于新能源汽車上的鋰離子蓄電池主要有錳酸鋰鋰離子蓄電池和磷酸鐵鋰鋰離子蓄電池，其能量密度、功率密度、循環(huán)次數(shù)均未達(dá)到成熟商業(yè)化電動車需要。 不過現(xiàn)在已有技術(shù)開發(fā)錳酸鋰、磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰等新型材料，大大提高了鋰離子電池的安全性，而且降低了成本。 3）鎳氫電池 隨著鎳氫電池的新材料、新技術(shù)的更深一步的研發(fā)，可以在特殊技術(shù)條件下做成大容量電池，與鉛酸蓄電池、鋰離子蓄電池相比，分別有以下特點(diǎn)。 能量密度高，重量比能量最大已達(dá)84.5Wh/Kg，體積比能量目前最高研究水平達(dá)到250Wh/L。 功

13、率密度高，大電流放電性能好。 循環(huán)壽命長，80%DOD循環(huán)可以達(dá)1300次以上，100%DOD循環(huán)壽命也在600次以上。 快充特性佳，目前應(yīng)用在電動車上的大容量動力鎳氫電池,充電15min可以達(dá)到60%的容量,1h之內(nèi)可以達(dá)100%。 耐過充過放，無記憶效應(yīng)。 4）應(yīng)用實(shí)例 2007年，日本川崎重工完成了配備車載用鎳氫電池的新一代低地板電池驅(qū)動的輕軌車輛。 輕軌車輛主要指標(biāo)：饋電為直流600V。車輛構(gòu)造為3車廂連接結(jié)構(gòu)，定員為62名(座椅定員28名）。全長為15m。運(yùn)行最高速度為40km/h。主控制為3相感應(yīng)電動機(jī)IGB逆變器控制。電池容量為274Ah，非電氣化區(qū)間的可行駛距離為10km以上（

14、在普通線區(qū)）。 2007年1011月，樣車在川崎試驗(yàn)線進(jìn)行了試驗(yàn)，運(yùn)行了1841.6km，單獨(dú)使用蓄電池運(yùn)行了876.7km。試驗(yàn)運(yùn)行中，蓄電池一次充電的最大運(yùn)行距離為37.5km4。 2.3 展望 無論是超級電容還是動力型蓄電池等儲能裝置的研發(fā)，順應(yīng)了能源節(jié)約的世界潮流，并朝著環(huán)保型發(fā)展。節(jié)約型設(shè)備的研發(fā)，必須考慮使用后的環(huán)保因素，避免造成報(bào)廢產(chǎn)品帶來的環(huán)境污染。新型儲能裝置的研發(fā)關(guān)鍵在于超大功率、充電快速和控制技術(shù)。 綜觀國內(nèi)外城市交通，超級電容及動力型蓄電池因其功率所限，兼之行車間隔相對較大下制動能量不能被鄰車吸收，當(dāng)前僅限于中小運(yùn)量的有軌電車、無軌電車及輕軌線路5。隨著儲能裝置的進(jìn)一步

15、研發(fā)，相信會有大容量的、新型節(jié)能環(huán)保儲能裝置問世，并且報(bào)廢產(chǎn)品對環(huán)境不構(gòu)成污染。 3 牽引供電系統(tǒng)無觸網(wǎng)分析 未來的儲能裝置滿足電動列車的驅(qū)動與制動需求的前景已無質(zhì)疑，牽引網(wǎng)將結(jié)束其歷史使命。我們對未來城市軌道交通完全可以有如下的憧憬，見圖（圖形無法顯示）。 運(yùn)營線車站設(shè)置必要的“充電站”，車載儲能裝置在車輛基地充滿電能，電動列車從始發(fā)站出發(fā)，驅(qū)動電能由車載儲能裝置提供，惰行階段車載儲能裝置關(guān)閉，制動階段列車產(chǎn)生的再生能量由車載儲能裝置吸收。電動列車?yán)贸丝蜕舷萝嚳障?，通過“充電站”對車載儲能裝置快速充電。 “充電站”由牽引變電所和授流充電裝置構(gòu)成，車載儲能裝置與授流充電裝置的組合替代傳統(tǒng)意義

16、上的牽引網(wǎng)。結(jié)合電動列車充電方式，授流充電裝置可以實(shí)現(xiàn)多樣化。 “充電站”的數(shù)量、位置及容量取決于車載儲能裝置充電需求，與傳統(tǒng)的牽引變電所有本質(zhì)上的差異。 無觸網(wǎng)下的牽引供電系統(tǒng)有下列特征。 1）規(guī)避了牽引網(wǎng)無備用性問題，大大提高了牽引供電系統(tǒng)電源的可靠性。 2）牽引網(wǎng)自身功率損耗被徹底解決，從“有”到“無”，節(jié)省了大量電能。 3）牽引供電分區(qū)長度不再將牽引網(wǎng)電壓質(zhì)量作為設(shè)計(jì)依據(jù)，牽引變電所的數(shù)量將減少。 4）從根本上解決了走行軌兼做回流而帶來的雜散電流腐蝕防護(hù)問題。 5）更加容易滿足沿線景觀的要求，且規(guī)避了惡劣氣候條件對牽引網(wǎng)的影響。 6）列車滯留地下區(qū)間時(shí)，利于乘客的安全、快速疏散。 對于既有運(yùn)營線，當(dāng)采用車載儲能裝置的列車投入時(shí)，既有牽引網(wǎng)可以暫不拆除，在其有效使用壽命周期內(nèi)，可以當(dāng)作授流充電裝置使用。 4 結(jié)語 當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，國內(nèi)外對新材料、新技術(shù)及新工藝的研發(fā)力度及進(jìn)展超出預(yù)期，我國已將“新材料、新能源”等列入“十二五規(guī)劃”。世界各國均在搶占科技制高點(diǎn)。 在可預(yù)期的未來，超大輸出功率、充電快速、環(huán)保型的儲能元件以及優(yōu)好的控制技術(shù)會不斷地被推出，并得到廣泛應(yīng)用。相信，未來的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無觸網(wǎng)化。 參考文獻(xiàn) 1 堯輝明,楊儉,方宇.城市軌道交通車輛電阻制動測試及其定義分析J.城市軌道交通研究.2010(10),3537 2 方宇,堯輝明