转载 城市轨道交通牵引供电系统无触网趋势

1、转载 城市轨道交通牵引供电系统无触网趋势转载城市轨道交通牵引供电系统无触网趋势的探讨 2011年11月06日城市轨道交通直流牵引供电系统由牵引整流机组、直流开关柜及牵引网构成，承担着向电动列车提供牵引电能的任务。牵引网的弊端显而易见。架空接触网宜出现断线、刮弓、雷击断电等电源不可靠现象，对正常运营构成潜在危害，且存在城市景观问题。接触轨则因意外触摸、区间维修以及乘客疏散等安全隐患，不受行业欢迎，且不适用于电动列车速度高于120km/h运营线路。 由于电动列车的外部电源设备没有出现技术性变革，牵引网仍以向电动列车提供牵引电能的唯一方式被世界所采用。随着超级电容、动力型蓄电池等新型大功率储能元件的

2、研发及试验，必将影响到牵引网的存在，且带来技术与工程上的优势。 1牵引网的现状 接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电动列车使用的重要任务，因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。由于接触网是露天设置，没有备用，线路上的负荷又是随着电动列车的运行而沿接触线移动和变化的，要求接触网无论在任何条件下，都能保证良好地供给电力机车电能，保证电力机车在线路上安全，高速运行，并在符合上述要求的情况下，尽可能地节省投资、结构合理、维修简便、便于新技术的应用。 1.1 电动列车制动技术 电动列车的制动系统均采用动力与机械相结合的组合式制动系统，其中动力制动起主要作用。动力制动包含

3、再生制动和电阻制动，动力制动阶段初期，正常情况下再生制动使用优先，当再生制动的条件不满足运行或继续运行条件时，电阻制动投入并以热能形式消耗掉列车再生制动能量1。 电动列车的动力制动系统意味着有部分再生制动能量被浪费掉。上海2号线北新泾站至威宁路站区间，平峰时段内1次电阻制动所消耗的能量约为0.108kW·h，高峰时段内则为0.124 kW·h2。随着列车编组增加、发车时间间隔较大，在电阻制动上浪费的再生能量将越来越大。 当前，为最大限度地回收再生制动能量或避免制动电阻产生的热量散发至隧道内，国内项目对此做了很多方面的研究与对比，技术措施多为将车载制动电阻拆除后、车站内设置再

4、生制动能量吸收装置（简称“吸收装置”），如电容储能型、电阻消耗型、电阻+逆变组合型、变流型及飞轮型等。 1.2 吸收装置特征分析 当前，国内所有线路及国外传统线路，电动列车将再生制动能量上传至牵引网，通过变电所吸收装置进行处理，处理结果呈多样化：向牵引网反馈直流牵引电能；向交流供电系统反馈；以热量形式消耗掉。吸收技术有如下特征： 1）吸收装置安装于电动列车之外，电动列车不再配置制动电阻。 2）吸收装置设置于变电所内部时，设置机械通风系统，并增加土建和自动灭火系统（地下变电所）等配套设施。 3）吸收装置设置于地面，与风亭或车站出入口亭结合时，涉及征地或景观问题。 4）向电动列车提供牵引电能的牵引

5、网仍为完整保留，对于沿线景观要求苛刻的线路，又带来新的、有争议问题，且牵引网无备用性。 国内线路的吸收装置多采用电阻消耗型或电阻+逆变组合型，电容储能型的使用实例属于个例。或者，车站预留吸收装置的安装空间。 国外在逆变技术应用方面较为成熟，如日本、德国等。德国巴伐利亚楚格峰旅游线，2006年牵引变电所设置了逆变器，将再生制动能量反馈至交流电网6。 1.3 牵引网的弊端 牵引网由接触网和回流轨构成，是牵引供电系统与电动列车之间的“桥梁”，自世界第一条地铁诞生以来，牵引网便同时出现。牵引网制式可以选择的类型较多：柔性架空接触网、刚性架空接触网以及接触轨。 1）牵引网作为牵引电能的载体，自身存在无法

6、消除的线路功率损耗。 某线路为6节B型车编组、高峰时段30对/h、平峰时段20对/h、回流轨为60kg规格，牵引电压DC1500V。牵引网自身功率消耗计算估值见表1、2。 表1 牵引网平峰时段的单位能耗值 序号 牵引网制式 单位功率损耗（kW/km） 1 钢铝复合接触轨 9.1 2 刚性架空接触网 13.1 3 柔性架空接触网 18.6 表2 牵引网高峰时段的单位能耗值 序号 牵引网制式 单位功率损耗（kW/km） 1 钢铝复合接触轨 80.8 2 刚性架空接触网 116.1 3 柔性架空接触网 164.5 对于20km长的线路，平峰时段的牵引网自身功率损耗为182372kW，高峰时段为161

7、63290kW。全年能耗为329670.4万kW·h，约占线路总能耗的4.18.4%，牵引网自身功率损耗是很大的。当前，牵引网功率损耗不可避免。 2）接触网的造价较高。 对于DC1500V牵引电压的接触网，不同制式下的工程造价相差较大。见表3。 表3 接触网工程造价 序号 牵引网制式 造价（万元/km） 1 钢铝复合接触轨 150 2 刚性架空接触网 120 3 柔性架空接触网 150 一般情况下，接触网造价约占全线供电系统工程总造价的5%左右。造价估值与实际工程可能有所出入，但不影响本文的内容分析与结论。 2 储能装置现状与展望 从理论上讲，电动列车通过牵引网的受流方式并不是唯一的

8、，电动列车也可通过车载储能装置实现行驶与制动。当前，限于电源储能装置功率较小等原因，无法满足运量较高的电动列车（如地铁车辆）的牵引用电需求，未来牵引网仍将存在较长时间。 纵观国内外，在超级电容、动力型蓄电池等储能装置研发方面已取得进展。尤其是加拿大、德国、韩国、日本及美国等国家的产品研发工作已走在我国的前面。国内尚处于起步阶段。 2.1 超级电容储能装置 超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。 由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”

9、。 1）超级电容的主要特点 充电速度较快，充电10秒10分钟可达到其额定容量的95%以上； 深度充放电循环使用次数可达150万次，没有“记忆效应”； 大电流放电能力超强，能量转换效率高，大电流能量循环效率90%； 功率密度高，可达300W/kg5000W/kg，相当于电池的510倍； 产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。以目前应用情况看，更多的用于电动汽车、电网系统，少量的用于公交电车。 2）应用实例 德国莱茵内卡RNV公司生产的低地板电车即将投入使用，配置了超级电容储能装置。在受电弓放下后，充满电能的超级电容储能系统为车辆提供牵引电能。在432V最大

10、电压下，每个超级电容可储存0.49kw·h的电能3。 2003年，德国曼海姆轻轨线路做了车载储能系统的测试，超级电容储能系统安装于车顶。为了对比，设定了列车的测试运行曲线：加速至50km/h，接着惰性，然后制动。经测试，几乎全部的制动能量被储存到储能系统中4。 2006年，上海公交路环线电车配置了超级电容。车进站后在乘客上下车的间隙，车载超级电容开始充电（秒钟即完成充电），一次充电能平稳行驶km，最高速度可达每小时公里。 2009年，上海公交26路电车；2010年，世博会期间运营的公交专线“浦明线”，均采用了超级电容车。理论上，26路超级电容车平均每公里耗电仅0.88度，比普通电车节

11、能60，比最初设计的标准节能20。 2.2 动力型蓄电池储能装置 按用途划分，动力型蓄电池是蓄电池种类的一种。动力型蓄电池一般指具有超大容量和输出功率，可用作电动车辆驱动电源的电池。国内外总体技术趋势是不断致力于新技术、新材料、新工艺的研发与应用，持续提高电池寿命、比能量、安全性，使其在新能源领域中占据日趋重要的地位。 目前，在市场上应用最为广泛的有三类电池：铅酸蓄电池、锂离子电池及镍氢电池。由于动力型蓄电池的成本高，回收并拆解处理难度大，动力型蓄电池储能技术在日本有小规模的应用。 1）铅酸蓄电池 铅酸蓄电池的技术特点适合于后备及储能系统的应用。铅酸蓄电池相对其他的二次电池，单位电容量的成本要

12、低，且能够大电流放电，但铅酸蓄电池的设置空间（大容量）要求高，重量较重，耐低温性能差。 2）锂离子电池 目前用于新能源汽车上的锂离子蓄电池主要有锰酸锂锂离子蓄电池和磷酸铁锂锂离子蓄电池，其能量密度、功率密度、循环次数均未达到成熟商业化电动车需要。 不过现在已有技术开发锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂等新型材料，大大提高了锂离子电池的安全性，而且降低了成本。 3）镍氢电池 随着镍氢电池的新材料、新技术的更深一步的研发，可以在特殊技术条件下做成大容量电池，与铅酸蓄电池、锂离子蓄电池相比，分别有以下特点。 能量密度高，重量比能量最大已达84.5Wh/Kg，体积比能量目前最高研究水平达到250Wh/L。 功

13、率密度高，大电流放电性能好。 循环寿命长，80%DOD循环可以达1300次以上，100%DOD循环寿命也在600次以上。 快充特性佳，目前应用在电动车上的大容量动力镍氢电池,充电15min可以达到60%的容量,1h之内可以达100%。 耐过充过放，无记忆效应。 4）应用实例 2007年，日本川崎重工完成了配备车载用镍氢电池的新一代低地板电池驱动的轻轨车辆。 轻轨车辆主要指标：馈电为直流600V。车辆构造为3车厢连接结构，定员为62名(座椅定员28名）。全长为15m。运行最高速度为40km/h。主控制为3相感应电动机IGB逆变器控制。电池容量为274Ah，非电气化区间的可行驶距离为10km以上（

14、在普通线区）。 2007年1011月，样车在川崎试验线进行了试验，运行了1841.6km，单独使用蓄电池运行了876.7km。试验运行中，蓄电池一次充电的最大运行距离为37.5km4。 2.3 展望 无论是超级电容还是动力型蓄电池等储能装置的研发，顺应了能源节约的世界潮流，并朝着环保型发展。节约型设备的研发，必须考虑使用后的环保因素，避免造成报废产品带来的环境污染。新型储能装置的研发关键在于超大功率、充电快速和控制技术。 综观国内外城市交通，超级电容及动力型蓄电池因其功率所限，兼之行车间隔相对较大下制动能量不能被邻车吸收，当前仅限于中小运量的有轨电车、无轨电车及轻轨线路5。随着储能装置的进一步

15、研发，相信会有大容量的、新型节能环保储能装置问世，并且报废产品对环境不构成污染。 3 牵引供电系统无触网分析 未来的储能装置满足电动列车的驱动与制动需求的前景已无质疑，牵引网将结束其历史使命。我们对未来城市轨道交通完全可以有如下的憧憬，见图（图形无法显示）。 运营线车站设置必要的“充电站”，车载储能装置在车辆基地充满电能，电动列车从始发站出发，驱动电能由车载储能装置提供，惰行阶段车载储能装置关闭，制动阶段列车产生的再生能量由车载储能装置吸收。电动列车利用乘客上下车空隙，通过“充电站”对车载储能装置快速充电。 “充电站”由牵引变电所和授流充电装置构成，车载储能装置与授流充电装置的组合替代传统意义

16、上的牵引网。结合电动列车充电方式，授流充电装置可以实现多样化。 “充电站”的数量、位置及容量取决于车载储能装置充电需求，与传统的牵引变电所有本质上的差异。 无触网下的牵引供电系统有下列特征。 1）规避了牵引网无备用性问题，大大提高了牵引供电系统电源的可靠性。 2）牵引网自身功率损耗被彻底解决，从“有”到“无”，节省了大量电能。 3）牵引供电分区长度不再将牵引网电压质量作为设计依据，牵引变电所的数量将减少。 4）从根本上解决了走行轨兼做回流而带来的杂散电流腐蚀防护问题。 5）更加容易满足沿线景观的要求，且规避了恶劣气候条件对牵引网的影响。 6）列车滞留地下区间时，利于乘客的安全、快速疏散。 对于既有运营线，当采用车载储能装置的列车投入时，既有牵引网可以暂不拆除，在其有效使用寿命周期内，可以当作授流充电装置使用。 4 结语 当今世界科学技术发展很快，国内外对新材料、新技术及新工艺的研发力度及进展超出预期，我国已将“新材料、新能源”等列入“十二五规划”。世界各国均在抢占科技制高点。 在可预期的未来，超大输出功率、充电快速、环保型的储能元件以及优好的控制技术会不断地被推出，并得到广泛应用。相信，未来的城市轨道交通牵引供电系统可以实现无触网化。 参考文献 1 尧辉明,杨俭,方宇.城市轨道交通车辆电阻制动测试及其定义分析J.城市轨道交通研究.2010(10),3537 2 方宇,尧辉明