新一代智慧型城市轨道交通
牵引供电系统的创新理念与实践
刘 建 刘志刚
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研究背景
我国城市轨道交通经过几十年的发展已经取得了举世瞩目的建设成就。如何抓住机遇，借助国家对城市轨道交通大发展和国家一带一路战略“走出去”的东风，服务国家和国际重大需求，将我国城市轨道交通牵引供电技术装备的研究、制造及系统集成水平走向世界前列，并努力创新，建立世界最先进水平的技术体系，引领行业技术发展，为此笔者有如下4个方面的发展思路：
1）坚持需求导向和问题导向。国家的重大需求给城市轨道交通研制重大装备与系统集成技术创造了巨大的发展机会，通过创新，满足不断增长的社会需求。
2）加强装备技术研究，促进科技成果转化，有计划分层次地布局研究，将基础研究、技术研究、装备制造、系统集成有机融合。
3）经济和技术指标是衡量技术装备是否有生命力的不可或缺的两个重要方面，全生命周期的经济技术指标是系统具有可持续性的重要标志。
4）新技术的发展必然会催生新标准的制定，通过研发新技术装备和建立新的技术体系，及早推进新的国家标准的制定，占领本领域的制高点，让中国标准走出去，甚至成为国际标准。
以节能为目的的城市轨道交通能馈式牵引供电系统，已经被业内普遍接受并正在规模化推广。如何在此基础上加大创新力度，对牵引供电系统做根本的改变，在系统功能、供电性能、可靠性与使用寿命、智能化及综合建设成本等方面取得综合最优，是我们目前面临的巨大创新机遇。
轨道交通的巨大需求为牵引供电系统装备制造和系统集成提供了广阔空间，电力电子技术的最新发展和器件水平的提高与成本的降低使得先进的电能变换拓扑应用成为可能；现代网络科技和计算机技术的发展为系统装备制造信息化打下了坚实基础；以控制科学为基础的智能化最新科技成果为牵引供电系统装备的升级换代提供了有力的支撑；几十年的运营经验积累、系统集成技术积累和行业技术与管理人才积累为产生世界顶尖的技术成果和系统综合的技术装备做好了必要的准备。
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存在问题与创新理念
2.1存在问题
我国城市轨道交通已经取得了巨大成就，并且前景广阔，但是随着研究和应用的深入，笔者发现当前城市轨道交通牵引供电系统存在着如下一些问题和不足：
1）系统采用“打补丁式”的解决方案。为了解决制动能量回收、功率因数补偿和接触网融冰等问题，分别引入了中压能馈装置、SVG（基于大功率逆变器的动态无功补偿装置）、融冰装置等一系列装备，造成系统结构复杂，建设投资大，不利于系统的简化和可靠性的提高，给运营维护带来困难。
2）缺乏系统综合优化，能源的利用率未达到最大化。没有充分考虑列车的因素，即载荷因素，缺乏车地一体化设计优化理念，不利于最大限度地发挥列车的再生制动能力和再生能量再利用能力，没有从系统的角度优化设计中压能馈装置的容量。
3）智能化程度不高。缺乏对设备故障点的精准定位以及故障分析，更做不到对关键部件的寿命预测，因而无法做到基于大数据的辅助维护维修。
4）现有的技术标准不能反映最新技术发展。新技术的不断应用，亟待相关部门制定相关技术标准。因上述问题，造成供电系统结构复杂、建设成本高、节能效果差、维护维修不便、运行成本高等问题。
2.2系统最优理念
1）整体优化，综合最优。以系统整体优化为目标，优化设计牵引供电系统设备布置和容量配置。
2）牵引供电设计考虑车辆动态载荷特性，以获得最优的牵引供电品质。
3）结构最简。简化供电系统结构，减少设备种类，降低综合建设成本和后期运营维护成本。
4）性能增强，供电品质提高，电压波动小，谐波含量低。
2.3系统集成
系统集成应综合考虑最新技术发展、建设成本因素及运营维护维修成本因素，是一个系统工程。系统集成反映城市轨道交通的需求，体现系统技术性及经济性，将直接影响系统的应用和可持续发展。
2.4经济合理性
系统的经济性将影响行业的可持续发展，因此降低综合建设成本和减少使用维护成本是非常必要的。
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新一代智慧型牵引供电系统
科技进步使得城市轨道交通牵引供电系统的升级换代成为可能。
3.1核心技术来源
高铁和城轨牵引供电及传动系统结构如图1所示，对比发现，二者都属于“交直交”的变流系统，存在很大的相似性。
区别在于
高铁的交流变直流采用四象限变流器，并且在车上；
城轨的交流变直流采用二极管整流器，在地面变电所内。
目前城轨供电系统存在的再生制动能量浪费、电压波动大等问题都与采用二极管整流器及能量无法双向流动有关。
为此，新一代牵引供电系统在变流装置上应进行大胆创新，建议采用四象限变流技术，部分取代甚至完全取代能量单向流动的二极管整流器。
3.2牵引供电系统“四代”的划分
城市轨道交通牵引供电系统采用直流供电模式，动车牵引所用的直流电来源于地面供电所的交直流电能变换，这种方式一直运用至今。为了直观分析城市轨道交通牵引供电系统的发展过程，根据牵引供电系统具备的功能，对其进行“四代”划分，如图2所示。
1）第一代：以24脉波二极管整流器为核心的交直流变换。由于二极管整流器的电流具有不可逆性，地铁车辆的制动再生能量只能被在车辆或地面设置的再生能耗吸收电阻消耗掉，浪费了能源的同时还增加了环控负担，形成了环控的二次耗能。除此之外，由于二极管整流的不可控性，使得直流网压波动范围大，供电品质差。
2）第二代：为解决制动能量不能充分利用的问题，引入四象限变流技术，很好地解决了车辆制动能量回收再利用的问题。经过低压能量回馈的过渡，近三四年逐渐推广的中压能馈系统因节能效果显著、工作性能稳定而得到了业界的充分肯定。
3）第三代：尽管第二代很好地解决了车辆再生能量回馈利用的问题，但是四象限变流器的功能没有得到充分发挥。四象限变流技术具有可控的电能交直变换、直交变换以及无功调节功能。第三代就是充分利用了这些功能，实现了集制动能量回收利用、可控整流提高供电品质及功率因数补偿三个功能于一体，从而实现了系统结构简化、功能增强、供电品质提高、综合建设成本和使用维护成本降低的目标。
4）第四代：在保持第三代优点的基础上，采用完全的四象限变流技术供电，使得系统结构进一步简化和优化；引入在线智能融冰功能；强化装置与系统的智能故障诊断功能以及智能寿命预测功能，为装置的状态修做好技术基础准备。
TIP:
其中，第二代技术已经应用成熟，第三代目前正在推广，第四代处于研发当中。
第四代高度智能化的牵引供电系统也是未来的发展方向，“四代”牵引供电系统技术及经济指标对比如表1所示。
3.3新一代牵引供电系统的特征与评估评价
新一代（即第四代）牵引供电系统结构如图3所示，整合了牵引供电、能量回馈、无功补偿和接触网融冰四大核心功能。
3.3.1系统特征
新一代城市轨道交通牵引供电系统，充分发挥了四象限变流器的双向变流功能，因此牵引供电系统结构大大简化了，牵引供电性能也大大提高了。这种系统层面的创新直接导致综合建设成本的降低、使用维护的简便和费用的减少。
基于大数据的智能化新技术的采用，也为在整条线路层面上的能源管理、系统设计、维护维修策略、人员配置等提供了最为直接可信的数据支撑。
新一代牵引供电系统的特征将包括：系统结构简化、供电品质提高、节能效果显著、智能化水平提高、综合建设成本降低、运营维护成本降低、灵活性和可扩展性强等。
3.3.2系统的评估评价
一个先进的城市轨道交通牵引供电系统，至少应该包括7个方面的评估：供电质量、节能效果、谐波含量、功率因数、可靠性与寿命、综合造价、使用维护成本等。
1）提高供电质量。发挥车辆在大发车密度前提下的列车通过能力，有利于提高车辆的运行效率。
2）节能。通过列车制动能量回馈、车地优化协同控制、先进器件与电路、牵引电机的最优励磁控制等，从牵引供电系统的不同位置测试节能量，其结果有很大的差异，这将直接影响对系统节能效果的准确评价。列车制动能量回馈到中压网还是高压网，将直接影响地铁用户的经济效益。
3）所节电能的质量，包括谐波含量、回馈电能对电网的冲击、负序和零序电流。
4）功率因数补偿。采用分散式功率因数补偿及分配补偿容量。
5）系统可靠性。器件的质量、电路拓扑（三电平还是两电平）、电磁兼容设计（等级）、正确的使用等因素影响系统装置的可靠性。
6）综合造价，包括系统容量配置及站间距等因素。通过大数据分析，掌握能源利用规律，可为节能策略及系统容量设计提供依据，降低综合造价。
7）使用维护成本，指使用设备的消耗和维修保养成本。通过寿命预测，可为系统装置的状态修提供技术支持，降低使用维护成本。
第一作者: 刘建，男，博士，北京地铁运营公司，教授级高级工程师，从事城市轨道交通装备的运用与管理等工作。
通信作者: 刘志刚，男，教授，北京交通大学电气工程学院，博士生导师，从事城市轨道交通牵引供电与传动控制等方向的研究与人才培养，
基金项目: 科技部国家重点研发计划（2017YFB1200802）
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