浅谈未来十年的铁路技术及电力电子

1、浅谈未来十年的铁路技术及电力电子摘要：本文先介绍日本铁路系统的现状和特征，随后展示铁路技术研究图， 展望2030年的日本社会。我们挑选了一些与电力电子技术相关的主题，并从运载 车辆发展现状、地而交通设施和新型系统三个方而予以说明。电力电子技术的实际 运用主要依赖于大功率、频率敏感器件和具备高端控制能力的轻型转换器的实现。索引术语：能量存储、供电质量、直线驱动、超导设备、仿真技术i引言虽然日木的铁路系统已经发展成熟h运行有效，我们的社会仍对其便利及安 全性提出了更高的要求。从全球环境来看，我们亟需推进模式转换，提高能效。日 木政府正努力将推进铁路技术发展和出口纳入新的发展战略。铁道综合技术研究所

2、 接替前国有铁路(former national railway)进行研发活动,制备了铁路技术未 来20年的研究图，并在其基础上启动了研发总体规划图一一2010年研究总体规 划图。规划图中提出并实施的诸多项目都是基于电力电子技术。在简要说明日木铁路系统现状、特点和前景后，我们将结合研究图描述研究 项目的概况，并详细说明与电力电子密切相关的几个项目。我们从供电、车辆系统和新型系统三个方面来看铁路系统电力电子应用的实 践发展。本文从电力电子应用的角度，对电力电子新设备的功能改进及运用的展望进 行了总结。ii 本铁路系统现状 本文对日本铁路系统现状进行总结，以便于理解接下来的几个部分。我国国土狭长且

3、成弧形，从东北至西南延仲约2000千米。铁路系统覆盖了大 部分国土，且承载了全国交通运输总量的25%左右。铁路系统的总运营长度为 27, 000千米。如表i所示，高铁系统新干线是主干线，连接各大城市。其交通运 输频繁，最高速度可达300 t*米/时。前国有铁路（former national ra订way）按区 域划分给6个客运公司，统称为日本铁路集团公司（jr group companies） 这6 个公司的铁路占全国铁路总长的72%,其中62%已电力化，但只承载交通运输量的 36%o城市和区域交通系统由政府和私营公司经营，运输总量中有60%主要是在城 市。此外，东京、大阪和名古屋三个城市地

4、区的交通运输量占总量的85%以上。我国铁路货运量十分有限，只占总运输量的4%（以吨千米为单位）。其原因 在于货运公司和铁路持有公司（客运公司）有所区别。这使得发展成熟的道路交通 要进行模式转换变得困难重重，尽管这种转换在应对全球变暖问题上迫在眉睫。表格i日木铁路系统类别运营长度（千米）年客运量（百万）高速铁路*2387317日本铁路集团公司*176138671城市交通368415074区域交通3360330*新干线系统紅前身为日本国有铁道，不包括新干线直线电机驱动的新型铁路运输系统在城市地区得以使用。东部丘陵线是“邮政特快专递式” （rms-type）的ijm短定子驱动磁悬浮系统，并使用名古屋

5、段的城市交通网。直线电机地铁（linear metro）使用l1m短定子驱动。由于其隧道横断 而比传统地铁的隧道横断而小，再加上优良的粘着能力，因此投入成本更少。自 1990年以来，这种直线电机地铁已在东京、大阪、神户、福冈和横滨的部分地铁 系统得以应用。表格ii显示了新型系统的概况。表格ii新型系统种类运营长度（千米）年客运量（百万）东部丘陵线8.35.9直线电机地铁*101401. 5*包括五个城市的地铁与世界其他地区相比，我国铁路系统的特征归纳起来有3点：国土面积小，铁路网延伸范围广通勤铁路运输需求量尤其大新干线在高速铁路网中占据主导地位通过表格iii中对比我国与典型的他国例子，可以更好

6、地理解以上特征。口本的铁路技术受以上情况影响，注重运行安全性、可靠性及对环境的影响。为改善这几个方面，我国展开了各种研究和开发。以下将有详述。表格iii 各国差异国家面积（平方千米）铁路线长（千米）年客运量（百万）美国9, 629, 001191, 7718, 869印度3, 287, 26363, 227694, 764法国551,50029, 44883, 229日本377, 83027, 343404,585、电力电子技术已在铁路系统的运载车辆及供电系统得以广泛应用。自东海道 新干线第一代运载车辆应用大功率硅二极管后，铁路就一直推动着电力电子技术的 革新。如今，逆变器驱动系统在高速轨道和

7、城市交通系统中得到广泛应用。在保持 新干线列车供电质量及消除电网干扰因素方而，齐类大功率转换器发挥了极大作 用。iii未来十年的铁路技术到那时，社会及其使用的技术将会发生日新刀异的变化。为筛选出能预见未来20年的研究项目，图表1将短期社会需求和相关技术发展趋势分门别类：图表1.社会环境发展趋势个性化全球变暖节能 对安全且有保障的社会的追求多元化价值观信息通讯技术飞速发展社会及技术发展趋势不断下降的出生率老龄化社会widesystem:交通信息系统的广泛应用reduced:需求减少barrier:无障碍insufficient:劳动力不足envir on men ts:环境clean:清洁能源发

8、展wideev:电动车辆的广泛应用safety:安全及信赖climate:气候变化depletion:能源枯竭weigh:公交负荷重为应对以上社会需求，研究及发展目标分为5个方面:a. 应用更安全可靠的系统b. 适应全球及周边环境c. 减少建设及运营成本d. 提供更舒适便利的服务e. 改进仿真技术，推动发展有10个研究项目入选，以实现上述目标，并为总体规划研究图奠定基础。这 10个项目名称为：a-1强大的自然灾害防御系统a-2强大的事故及故障防御系统a-3先进的人工机器系统a-4列车智能操作控制b-1降低对铁路沿线环境影响c-2提高维护及建设效率d-1提高高速系统运行速度d-2提高运输效率，提

9、升具备先进信息通讯技术的运输服务e-1先进的模拟技术与电力电子技术密切相关的研究课题包含在以下项目中：b-2 低功率损耗设备的应用高效转换器能量存储系统的应用c-1 超导磁悬浮系统的维护d-1 高频转换器直线驱动及制动e-1 为驱动装置配备硬件在环仿真系统（h1ls）这些实践研究项目也渗透到其他更为具体的课题中，并贡献了一批里程碑式 的课题目标，以在未来十年里完成。实现目标所面临的困难及不定性因课题而异, 这些课题按难度及不定性分为三类，以便于研究人员了解，并表明研究管理的目 的：未来铁路系统的研发实践技术的发展铁路基础研究日本铁道技术研究所这种研究活动的矩阵结构如图表2所示。iv与电力电子相

10、关的主题以下部分摘选了几个主题进行详述，以说明与电力电子技术实践相关的发展 现状和未来计划。a.交通工具技术新干线电联车组使用异步电机驱动，最高运营速度达300千米/时。由于最高 速度主要受制于列车对沿线环境所发出可闻噪音的排气污染程度，因此东海旅客的 n-700列车及东h本旅客的e-5列车的驱动系统性能就足够了，且这两者被视为现 行标准之一。东日本旅客计划2013年后提高e-5北线的最高运营速度。但是，为 与航空公司竞争，亟需将其最高速度增至360千米/时。为实现这一目标，东h本 旅客已经制出试用列车组，并在北线上实施了为时5年的运行试验，到2009年， 最高速度已达398千米/时。这项研究

11、显示，要解决技术问题，运营速度需在360 千米/时以上。部分改进已在e-5上进行实施。fastec360由同步电机驱动，并使 用自然冷却转换器系统提高能效。由于日本铁路公司集团（jr集团）儿近40%的铁轨都未实施电力化，且所使 用的运载车辆仍待革新，因此开发了柴油混合动力。jr北海道对被称为电机辅助 式混合动力的平行混合系统进行了研究，并用新型技术列车测试了运行性能。东日 本旅客开发了混合系统系列，并在e-200柴联车上进行了应用。e-200柴联车在日 木中部山地的小海町线上成功运行。东日木旅客计划在2010年部署采用此种电机 辅助式混合动力的景点列车组。日木铁道技术研究所和东日木旅客也开发了

12、燃料电池混合系统，并在实际运 行中分别进行了试验和评估。但在实现大功率燃料电池上仍旧存在问题，且延缓了 应用研究。日木铁道技术研究所还开发了使用锂电池的电动车辆，装有快速充电系 统。在札幌对其进行了电车试验，在四国岛进行了有轨车试验。日本铁道技术研究所制定了一个新的电力转换器自然冷却方案，做为高能效 轻型新动力系统的基础研究，以及驱动装置sic转换器的实践应用。b.供电系统由于新干线拥有大功率驱动系统，且在高速系统中运行频繁，因此其供电系 统需给列车提供稳定电压和电力。尤其是在连接东京和大阪的东海道新干线上，列 车需经受电网上50至60赫兹程度不等的电流频率。该线上的铁路变电站都装有频 率转换

13、器、静止同步补偿器和位置遥控。原则上，这些转换器都是电压电源转换 器，并使用高端控制机制应对因列车运行及供电网反常故障情形导致的负荷变动。 因为一个n-700列车组所需电力约为17mw,且高峰时期两列车之间仅间隔5分 钟，所以这些转换器的额定功率很大，紧凑型大功率转换器亟待开发。这些转换器 装置运行模式相异，可能造成彼此之间相互干扰。因此，需要对转换器进行高频操 作，以消除此种现象。用于分析以上相互干扰作用的仿真工具正在开发当中。新干线列车供电系统使用复杂的真空开关系统，以通过各个变电站。在静态 半导体开关(static semiconductor switches)的应用上，我们已经有所发展， 但仍需缩小其规格，并降低成本。此外，在供电系统中应用新的大功率设备也备受 期待。逆变器驱动的使用及对节能的要求使得再生制动(regenerative braking) 得以引进并广泛应用。一般说来，要使这种再牛电力回流到电网中难度较大且成木 颇高，因此便引进了超高电容或使用锂电池的能量存储系统，用来有效保障系统中 所有列车的再牛制动。目前，正在制定用于应对系统中各种操作情况的控制方案。无论从安全性、可靠性、能效还是环保来看，城市交通直流供电系统都较为 现代化。工作电压最好增至3kv,如此一来，其他供电创新方案如引进超导电缆、 无接触线电力集中(pow