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《電氣時代》2014年第五期

一、團隊主要科研項目介紹

1.低地板車牽引傳動系統實際上地鐵和低地板車基本的原理是一樣的，無非就是系統的容量可能有些差異，但是100%的低地板車還不太一樣。我們和北車合作研發的國內首列100%低地板車，完全自主研發了牽引及輔助變流系統。這個系統的變流器是裝在車頂的，和地鐵不太一樣，地鐵是裝在車下的。該項目先后設計了兩個版本。低地板車牽引及輔助變流系統攻克的核心關鍵技術包括100%低地板車無傳動軸獨立輪同步協調控制、高效高性能牽引電機矢量控制、車輛防滑/防空轉及節能全電制動技術、全數字化高頻輔助控制和并聯綜合供電技術、基于先進網絡架構的故障診斷及實時監控技術。

2.地鐵高頻輔助逆變器及充電機這個輔助逆變器主要是一些輔助用電，把高壓的直流電壓轉換成380V或者220V的交流電壓，給空調等這些系統供電。充電機主要是給蓄電池充電的電力電子的變流器，其實也是為了替代進口的系統，但是我們這個是屬于完全自主研發、完全國產化的一個東西，具有體積小、重量輕和效率高等特點，在廣州地鐵1號線完成裝車試驗，通過驗收。目前已完成6套輔助逆變器的生產調試，即將裝車試運行。

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3.直線電機牽引傳動系統我們在內蒙做了一個直線電機的示范線。內蒙煤的儲量是非常大的，已經超過了山西，有句話說內蒙“羊煤土氣”了，這個羊主要指他的羊絨、羊毛，煤就是它的煤礦，土就是稀土，氣就是天然氣，這四大儲量是非常豐富的。對于煤來講，肯定存在運輸的問題。煤炭挖出來之后在坑口，要運輸到機車貨運站的話中間有個距離，傳統的方式都是用大卡車，成本是非常高的，需要雇司機、燃油這些方面，還有污染。后來有人提出來，用直線電機的方式，這就好像是自動駕駛的貨車，也就是軌道列車。為什么用直線電機呢？是考慮到直線電機的爬坡能力比較強，拐彎半徑這些優勢，當初也是找到國家科技支撐的項目才做這個事。所以當初在那兒先建了一個1km左右的示范線來驗證這個系統。這個系統的關鍵技術包括PWM整流器的交流輸入電壓不平衡控制及直流負載電流前饋控制技術，新型直線電機運輸系統的牽引供電直流保護技術，采用帶邊端效應補償的直線電機牽引矢量控制技術。

4.混合動力動車組牽引傳動系統這是當前正在研究的一個項目，也是一個比較新的，類似于咱們小汽車的混合動力系統的概念。這種車的能源實際上有兩種：第一類的混合動力實際上就是指牽引網動力和它的動力電池，車上有一個動力電池來提供電池；第二種混合動力是指牽引網加一個柴油發電機這樣一種方式，主要目的是為了實現這種車的跨線運行。因為現在有的線路是電氣化改造之后的，有的線路還是沒有電氣化的，實際上這兩種線路之間要運行的話，相當于沒有接觸網的地方需要有其他方式來進行提供動力。還有就是應用到比方拖車的時候是沒有接觸網的，工程維護用的車輛，需要有其他的能源，所以有這么兩種的混合動力系統，這是咱們現在正在研發的，也是和北車研發的一個項目。

5.高速鐵路電力牽引傳動系統的安全預測和控制這是一個純理論研究的項目，國家高鐵聯合基金的一個項目。正在研究的項目主要是針對牽引系統在一些極端條件下運行的安全性做的評估、預測。

二、城市軌道交通能饋式牽引供電技術

城市軌道交通的能饋式牽引傳動技術是一項國家科技支撐項目。城市軌道交通相對于其它交通方式而言，具有安全舒適、快速環保、運能大和能源消耗少的特點。但是伴隨路網規模的擴大和客運量的劇增，城市軌道交通能源消耗總量也大幅增長。以北京地鐵為例，2012年度總耗電量超過10億kW•h，且以每年10%以上的速度增長。這兒給出一個城市軌道交通能耗分布圖，這些能耗究竟耗到哪兒去了？大家可以看出，最多的實際是牽引傳動這塊，第二就是通風空調，第三可能是扶梯、電梯、照明，依次是這些。所以說節能的話，最大的潛力也是在牽引這塊。目前來講，也已經做了很多工作，比如車的輕便化，比如牽引傳動系統效率的提升，但是這些方面要想提高一個百分點是非常困難的。因為它輕便化之后有一定限度，要保證車的強度、安全?，F在世界上對牽引傳動系統很重視，因為對能量的再次利用有非常大的挖掘空間，所以我們的工作主要是針對列車再生制動能量利用的角度來講。這個空間究竟有多大呢？從地鐵牽引傳動系統啟動到停止這樣一個過程牽引變流的曲線可以看出，牽引電流是正向的，由列車開始啟動逐漸增大，中間有一個橢型的區段是沒有電流的，或者是非常小的；之后是一個制動，這個電流是反向的，制動的時候列車實際上是由電動機轉換成一個發電機，它是把動能轉換成電能了，相當于發出能量了。這部分能量占的比例，據咱們的一些統計，實際上占到牽引能耗的30%～40%的范圍。這部分的能量怎么能很好地利用，實際上有非常大的潛力。能饋式牽引供電裝置集能量回饋、牽引供電、提高供電品質和功率因數補償等功能于一體，系統綜合性價比高。它能取代制動電阻，取代一套12脈波整流機組，取代無功補償裝置，直流電壓波動范圍小，供電質量高，無電阻發熱，減少環控系統投資和能耗，并且節省安裝空間。大功率PWM整流器（又稱四象限變流器）是能饋式牽引供電裝置的核心，它是基于PWM脈寬調制技術的一種功率變換裝置，組成上可以看成是1臺逆變器加上1個三相交流電感L；在電網電壓ea和交流電感L一定的情況下，通過控制Ua的大小和相位，就可以控制電流ia的大小和相位，進而控制變流器傳輸功率及功率因數。智能功率模塊并聯技術是將多個IGBT（或IGBT半橋）并聯封裝到一起，用同一塊驅動板進行驅動，并具備了故障檢測，電壓、電流及溫度采集等功能的大功率模塊。它的特點是采用大功率模塊并聯，提高變流器容量，并且巧妙利用差模電感，抑制功率模塊之間動態環流。然后通過多重化的串并聯，提高整個系統容量，但是需要解決多重化串并聯控制問題——串聯均壓、并聯均流。外特性協調控制技術是為了實現二極管整流機組與能饋式牽引供電裝置的協調工作，并達到特定的控制目標。其它關鍵技術還包括電流諧波抑制技術、高精度網壓同步技術、智能故障診斷技術、可靠性建模及可靠性評估技術、系統集成與優化技術等。目前，能饋式牽引供電裝置已經在北京地鐵10號線正式投入應用。北京地鐵10號線（二期）自2013年1月正式開通以來，客流量已超過北京地鐵1號線，成為北京最繁忙的地鐵，日客流超過150萬人次。根據北京地鐵10號線二期十里河和西釣魚臺的實測數據，按照每套能饋裝置日平均節能1600kW•h，則一年將節約58.4萬kW•h電。按照1元/kW•h計算，則直接經濟效益58.4萬元，2～3年可收回新增設備投資（相對于電阻能耗裝置）。無功補償的經濟效益包括：減少無功補償設備投資不小于500萬元；節省專用無功補償設備安裝空間對應的土建投資1000萬元。以廣州地鐵4號線數據為例，每天有4個小時功率因數在0.4～0.5左右，功率2000kW，有2個小時，功率因數在0.6～0.7左右，功率4000kW。根據相關計費標準：PF=0.45時電費上浮55%；PF=0.65時，電費上浮15%。取基準電價1元/kW•h，無功補償每年可節約電費234萬元。當然還有其他方面，比如提高供電品質帶來的一些好處，比如減少環控設備的能耗，通風系統的能耗帶來的好處，還有減少閘瓦的能耗等等。所以說備用這個裝置之后，對于減少咱們的維護工作量還有維護成本，后期的運營也是非常有好處的。咱們研發的這個裝備實際上有很多綜合的優勢，潛力是非常大的。

作者：張鋼