运输经理世界城市轨道交通0引言城市轨道交通（简称城轨）是电气化运营的大运量公共交通系统，随着我国城市轨道交通行业的发展，截至2020年底，我国运营城市轨道交通线路里程近8000km。城轨行业的发展，伴随着行业碳排放总量的持续上涨，与节能降耗、碳达峰的矛盾日渐突出。因此，需要从城市轨道交通行业角度，探索行业节能降耗的技术路线，以推动行业的高质量健康发展。1城市轨道交通关联系统城市轨道交通列车运营主要由供电、信号、车辆等多个专业共同组成。车辆是旅客运输的载体，车辆的耗能主要体现在列车牵引辅助系统。车站环控设备主要是指站内的照明、空调、电梯等相关设备。城轨供电系统一般由交流高压、牵引供电、低压动力照明等系统组成。牵引供电系统按电压等级，一般可分为DC1500V、DC750两种[1]。其中，DC750V系统仅在北京、昆明、天津等城市应用，如北京房山线、昆明1号线等。以DC1500V系统为例，牵引变电所从市电35kV电网取电，经降压变压器、整流器、直流开关柜等设备输出稳定的DC1500V。牵引变电所二极管整流供电系统拓扑结构图（见图1）。牵引变电所采用整流装置，实现交流电源到直流牵引电源的转换，由于采用二极管整流，系统只能实现能量的单向流动。列车制动时产生的能量，大部分被车载制动电阻以发热的形式消耗，进而导致隧道内热量的积累，使隧道温度上升。近年来，地铁公司开始在降压变压器与直流母线之间，新增能量回馈装置，用于列车制动能量的回收，较好地解决了既有线路的电制动能量的消耗问题[2]。城轨信号系统一般由车载信号设备和地面信号系统组成，是支撑列车运行的核心，通过ATC控制系统，实现对列车的运行控制[3]。为保证列车的正常运营，列车准点率和精准对标是信号系统的首要目标。图1二极管整流供电系统拓扑城轨列车牵引系统主要由受流装置、高速断路器、牵引逆变器、牵引电机、制动电阻等组成。以架空线受流为例，DC1500V经受电弓给列车牵引系统供电，每个受电弓给两辆动车牵引逆变器提供电源，牵引系统利用轮轨黏着条件，根据列车当前载荷，自动调整牵引力的大小，驱动列车在不同载荷下以固定加速度启动。当列车处于制动工况时，优先使用电制动，通过受电弓将电制动能量回馈给直流电网，当电网不能吸收时，通过制动电阻消耗掉多余的电制动能量。2节能降耗技术研究行业内针对城轨列车节能降耗的措施，主要立足车辆角度，从轻量化设计、减小列车阻力、再生制动的应用以及信号系统列车节能驾驶等角度制定实施改城市轨道交通低碳节能技术研究刘猛、陆远基（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001）摘要：为解决城轨行业的发展与节能降耗、碳达峰的矛盾，立足城市轨道交通行业，结合相关专业的现状和特点，从技术角度出发，对供电制式、信号控车模式、车辆高效节能等进行研究，提出节能降耗的总体技术方案，助力城市轨道交通的绿色低碳发展。关键词：轨道交通；低碳节能；供电；牵引；信号中图分类号：U2-9文献标识码：A7运输经理世界城市轨道交通进。从城市轨道交通各相关专业出发，从顶层设计角度探索城轨行业节能降耗的技术路线。2.1双向变流供电系统牵引变电所供电系统，行业内首选方案为二极管整流供电系统，输出电网电压波动范围DC1000～DC1800V，最高电压DC1950V，能量只能单向流动且提高了列车牵引系统对电网电压的适应难度。双向变流供电系统（见图2），通过双向可控变流技术，实现了能量的双向流动，减少了新增能量回馈装置产生的成本。双向变流技术通过实时控制输出直流电压，可以实现输出电压的精准控制，为车辆提供稳定的直流输入电压，解决了二极管整流供电系统下功率因素低、无功功率返送、直流电压波动[4]等问题。同时，利用双向变流供电系统稳定的直流输出电压特点，可采用更高电压等级，提高单个牵引变电所的供电距离，减少全线牵引变电所的初期投入。图2双向变流供电系统拓扑电压等级的升高，牵引电机和牵引逆变器等效工作电流降低，牵引系统及线路的热损耗下降，可有效降低列车的牵引能耗。对国内某地铁线路进行列车运行仿真计算，对比列车在DC1500V、DC1800V网压下，列车的牵引能耗（见图3）。图3不同电压下牵引能耗仿真计算在相同线路、相同载荷、不同网压下，对列车进行线路仿真计算。在不考虑电制动能量回馈下，DC1800V网压下的牵引能耗，较DC1500V网压下的牵引能耗有较明显的降低（见图3）。同时，电压等级的提高，可以降低全线直流弓网电流，进一步降低线路损耗。由于DC1800V网压处于既有地铁供电线路的网压范围内，不会对土建、供电设备产生任何影响，无需改变土建施工的既有标准，拥有很好的市场推广基础。双向变流供电系统应用后，可实现电制动能量100%回收，电制动能量全部回馈至高压交流电网。对列车而言，可取消制动电阻，在实现车辆的轻量化、降低能耗的同时，可以减少隧道内热量的积累，进一步减少站内空调对制冷量的需求，降低车站环境控制设备的能耗。2.2列车牵引系统城轨列车牵引系统是实现列车牵引运行的执行系统，通过响应信号系统的控制指令，实现列车的牵引控制，是列车牵引能耗的直观体现。从牵引系统角度降低能耗的技术路线，主要考虑更加高效的牵引系统。永磁同步牵引电机因为转子采用永磁材料励磁，转子没有损耗，具有高功率密度、高效率、高功率因素的特点。永磁同步电机低速段的高效特性，与城轨列车频繁启动的工况契合，可以大大提高系统传动效率，在减少牵引能耗的同时，增加电制动工况下的能量回馈。长沙地铁1号线永磁牵引系统的应用，经第三方评估，相比异步牵引系统综合节能接近30%。下一代功率半导体SiC器件以其高耐压、高频、耐高温等特性，驱动了牵引变流器高效、高功率密度和轻量化。在实现牵引效率的进一步提升[5-7]的同时，实现了列车进一步的轻量化，促进城轨列车的节能降耗。2.3高效辅助系统列车辅助系统主要是给空压机、风机、空调、压缩机等设备提供AC380V电源，同时对列车照明、广播、PIS及车载控制系统提供DC110V电压。列车运营时，辅助系统为长时工作制，辅助逆变器的效率，直接制约了列车辅助系统的能耗升级。工频两电平辅助逆变器采用DC/AC直接逆变技术，输出端通过工频变压器隔离，得到稳定的三相交流输出电源。技术成熟可靠，但整机效率较低（一般在90%左右），长时间工作下，热损耗的能量较高。高频辅助逆变器的开发，采用软开关技术、多电平技术，提高整机效率（一般大于93%），降低辅助系统运行过程中的热损耗，减少电能的消耗[8]。同时，高频辅助逆变器的技术，大幅度降低了磁性元件的体积重量，实现整机的轻量化、小型化设计，进一步实现列车的轻量化。2.4最佳控车策略城轨列车信号系统通过ATO模式控车，代替了司机人工驾驶模式。为了响应绿色低碳发展，通过列车自动驾驶（ATO）技术和自动监控（ATS）技术，研究列车节能调度控制策略，根据线路条件，自动跟随最佳8运输经理世界城市轨道交通节能调度运营[9-11]。为进一步探索最佳控车策略，联合信号、车辆、TCMS、牵引等多系统协作。根据线路条件、列车实时响应特性及牵引系统效率特性，选择更合适的加减速控制，并最大限度地利用列车惰行。在工程应用阶段，基于实际线路，对列车采取最小运行时间曲线、惰行运行曲线、节能运行曲线等策略进行控制。通过对比列车的能耗特征，在满足安全与精准对标的前提下，选择最佳的控车策略，充分利用列车惰性节能（见图4）。图4最优控车模式关联系统图对国内某地铁线路进行仿真计算，对比列车在不同控车模式下，列车的牵引能耗。以列车旅行速度为目标，根据线路条件采取节能运行模式时，可以更大限度地利用列车惰行，从而降低列车的牵引能耗（见图5）。图5不同控车模式下牵引能耗仿真计算在相同线路、相同载荷、相同网压下，采用快速运行模式和节能运行模式对列车进行线路仿真计算。在不考虑电制动能量回馈下，节能运行模式可以充分发挥列车惰性节能的优势，相比快速运行模式下的牵引能耗有明显降低，如图5所示，以此次选择的线路条件和列车特性为参考，列车牵引能耗下降接近一半。基于列车牵引制动特性和运营时刻图，通过信号调整列车运行曲线实现节能。2.5其他技术研究城市轨道交通的低碳节能发展，还可考虑节能坡的设计，将列车进出站区间段设计为上坡进站，下坡出站，利用列车重力势能实现列车的减速、加速[12]。在既有采用二极管整流供电系统的线路上，在配置能量回馈装置的同时，合理考虑储能装置的接入，可有效实现列车能量的削谷调峰，实现列车瞬时大级位制动时的能量全回收。随着新能源的成熟应用，城市轨道交通作为公共交通设备，在城市中具有丰富的土地资源，特别是车辆段和高架桥车站，可引入光伏发电作为车站用电，充分利用光照条件，引入绿色清洁能源，降低行业对电网电能的需求[13]。3结语探索城市轨道交通的低碳节能发展技术方案，能有效促进行业高质量快速发展。本文立足城市轨道交通，针对供电、信号、车辆、土建等多专业方向，提出低碳节能发展的技术方案和路线。同时在双碳背景下，基于各系统的关联关系，为城市轨道交通项目初期顶层规划设计提供指导，推动行业的低碳发展。参考文献：[1]李朝鹏.地铁供电系统的供电方式及选择对策[J].通信电源技术，2019（8）：149-150.[2]张铁军，陈雪.城轨供电系统新型再生制动能量回馈系统[J].大功率变流技术，2011（5）：37-40.[3]孟凡兵.地铁信号系统发展趋势及功能区别[J].城市建设理论研究，2017（5）：217-218.[4]周方圆，黄艳艳.地铁供电系统无功特性分析与补偿设计[J].大功率变流技术，2011（4）：9-12.[5]刘良杰，陈文光，刘雄.地铁永磁同步牵引系统节能技术研究[J].机车电传动，2018（6）：23-25.[6]曹虎，董凯.节能技术在城市轨道交通车辆牵引电传动系统中的应用[J].现代城市轨道交通，2019（9）：36-42.[7]李华，万伟伟，唐雄辉.SiC器件在城轨车辆牵引系统上的应用研究[J].机车电传动，2020（5）：45-48.[8]赵清良，饶东杰，易滔.标准地铁列车辅助供电系统与产品平台[J].电力机车与城轨车辆，2021（5）：23-30.[9]宿帅，唐涛.城市轨道交通ATO的节能优化研究[J].铁道学报，2014（12）：50-55.[10]张冲，王斌.列车牵引节能技术研究[J].现代城市轨道交通，2021（6）：13-18.[11]龙广钱，尹逊政.城市轨道交通列车节能控制策略研究[J].计算机应用，2018（7）：90-94.[12]陈富安.地铁节能坡设计研究[J].铁道工程学报，2013（8）：104-106.[13]任虔英.国外地铁节能新技术[J].2015年电网节能与电能质量论文集，2015：64-65.作者简介：刘猛（1989-），男，汉族，湖南岳阳人，本科，工程师，从事地铁车辆电气牵引系统开发及系统集成技术研究工作9