蔡 波 李鯤鵬

（1.廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，361004，廈門；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州∥第一作者，高級工程師）

現(xiàn)代有軌電車的牽引供電方式一般采用DC 750 V架空接觸網(wǎng)供電制式。該供電方式系統(tǒng)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，投資成本低，具有豐富的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。但是，架空接觸網(wǎng)在非封閉式的營運(yùn)環(huán)境中所帶來的景觀和安全問題也不容忽視，特別是在交叉路口和對景觀特別敏感的區(qū)域。為了適應(yīng)現(xiàn)代城市對景觀和安全的要求，阿爾斯通、龐巴迪、西門子、卡佛、安薩爾多等主要的有軌電車系統(tǒng)供應(yīng)商都在積極進(jìn)行無架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究與實(shí)踐。本文從牽引供電的基本功能出發(fā)，系統(tǒng)分析現(xiàn)代有軌電車無架空接觸網(wǎng)解決方案。

1 牽引供電方式的分類

牽引供電的功能是實(shí)現(xiàn)從靜止供電設(shè)施向移動列車提供持續(xù)的電力。有軌電車牽引供電方式主要有實(shí)時(shí)授流和非實(shí)時(shí)授流兩類基本方案，如圖1所示。實(shí)時(shí)授流方案需要在沿線敷設(shè)供電設(shè)施（如架空接觸網(wǎng)、接觸軌等），通過車載受電器（如受電弓、集電靴）實(shí)時(shí)接觸，實(shí)現(xiàn)電能由電網(wǎng)向移動列車的持續(xù)大容量電力供應(yīng)。此種供電方式在國鐵AC25 kV和地鐵DC750 V、DC1 500 V的牽引供電制式中普遍采用。非實(shí)時(shí)授流方案采用車載儲能牽引，列車在特定地段進(jìn)行快速充電，非充電區(qū)段不設(shè)置沿線供電設(shè)施。此種供電方式在現(xiàn)代電動汽車領(lǐng)域普遍采用。實(shí)時(shí)授流方案根據(jù)電能傳輸?shù)姆绞接址譃榻佑|式供電和非接觸式供電。接觸式供電方式可以采用滑動接觸和滾動接觸兩種基本類型，一般車輛正極采用滑動接觸供電，負(fù)極采用滾動接觸供電。大容量的非接觸式供電主要是基于電磁感應(yīng)原理的電能傳輸，根據(jù)回流方式的不同可分為鋼軌回流和專用軌回流兩種基本類型。

由圖1可知，實(shí)現(xiàn)無架空接觸網(wǎng)供電有兩條基本技術(shù)路線：一種是采用實(shí)時(shí)授流供電，沿地面敷設(shè)供電設(shè)施，如在封閉式專用路權(quán)的城市軌道交通中普遍采用的第三軌供電方式；另一種是采用車載儲能式牽引供電，徹底取消沿線敷設(shè)的供電設(shè)施。但是，傳統(tǒng)的第三軌供電在非封閉式半專用路權(quán)中面臨兩方面的問題：①供電軌不能突出地面安裝，以避免影響其他車輛和人員通行；②需要解決沿線車輛和人員的安全問題，在沒有列車通過時(shí)，供電軌應(yīng)為斷電狀態(tài)（即當(dāng)且僅當(dāng)列車完全對此區(qū)段擁有絕對路權(quán)時(shí)供電軌才能帶電）。其解決方案是將沿線供電設(shè)施劃分為若干小的供電分區(qū)，每個(gè)供電分區(qū)的長度小于列車長度；每個(gè)供電分區(qū)帶電與否隨列車運(yùn)行同步控制。為了適應(yīng)現(xiàn)代有軌電車無架空接觸網(wǎng)的需求，國內(nèi)外頗具實(shí)力的有軌電車公司均推出了各具特色的無架空接觸網(wǎng)解決方案。采用地面供電方式的有阿爾斯通APS、龐巴迪PRIMOVE、安薩爾多TRAMWAVE，采用車載儲能式牽引供電的有西門子、卡佛和中國南車株洲電力機(jī)車有限公司推出的現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)。

圖1 有軌電車牽引供電方式基本分類示意圖

2 地面牽引供電方案

采用地面牽引供電是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車無架空接觸網(wǎng)牽引供電的有效方案之一。目前，比較有代表性的3種地面供電方案分別是阿爾斯通的APS、龐巴迪的PRIMOVE和安薩爾多的TRAMWAVE，它們均采用分區(qū)段控制地面供電設(shè)施實(shí)現(xiàn)向運(yùn)行中的列車提供持續(xù)的電力供應(yīng)，但在具體實(shí)現(xiàn)方案上存在差異（見表1）。

表1 采用地面供電的無架空接觸網(wǎng)解決方案特征分析表

2.1 APS系統(tǒng)

APS地面供電設(shè)施的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。其采用標(biāo)準(zhǔn)埋地式供電軌結(jié)構(gòu)，主要由工形絕緣軌、接觸軌、DC750 V電纜、接地電纜和檢測回路等組成。在道岔區(qū)和交叉道口，供電模塊的結(jié)構(gòu)需作相應(yīng)調(diào)整。工形絕緣軌為玻璃纖維，高度一般為17 cm。與電纜連接的2根金屬板條安裝在工形軌的表面。工形軌的中心是4條狹槽，用于敷設(shè)DC750 V電纜、絕緣節(jié)回線，以及通信和輔助設(shè)備。接觸軌長8 m，兩導(dǎo)電軌間由3 m長的絕緣節(jié)所分隔。絕緣節(jié)安裝有平行塑料接觸板條，向集電靴提供連續(xù)的行走表面。

圖2 APS供電軌斷面示意圖

接觸軌（第三軌）在軌道中間按8 m長度分段敷設(shè)，二段之間為3 m長的絕緣段，沿線每隔22 m設(shè)一個(gè)接觸軌電氣控制箱。當(dāng)列車進(jìn)入某一供電分區(qū)時(shí)，相應(yīng)控制箱內(nèi)的控制單元接收到列車上發(fā)來的編碼信號后，向該接觸軌供電，其余供電分區(qū)處于斷電狀態(tài)，以保證行人的安全。

2.2 PRIMOVE系統(tǒng)

PRIMOVE（地面感應(yīng)線圈非接觸供電）通過在沿線地面敷設(shè)供電設(shè)施，以非接觸方式為列車提供實(shí)時(shí)牽引電能。其利用車地實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)跟隨車輛運(yùn)行的分區(qū)供電，保障沿線人員和車輛的安全性。PRIMOVE系統(tǒng)需沿線路敷設(shè)DC750 V供電和回流電纜，每隔一段距離在軌旁埋設(shè)一套逆變裝置；變壓器一次側(cè)線圈敷設(shè)在地面走行軌中間，變壓器二次側(cè)線圈作為車載受電器安裝在列車上。PRIMOVE給鋪設(shè)在走行軌中間的閉合線圈提供高頻（約20 kHz）交流電以產(chǎn)生磁場，磁場通過裝在車底的閉合線圈時(shí)在線圈中產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)電能由地面向車輛的傳輸。只有當(dāng)列車進(jìn)入相應(yīng)的位置時(shí)，地面一次線圈才通高頻交流電，其他時(shí)刻地面一次線圈處于斷電狀態(tài)。如圖3所示，PRIMOVE地面供電設(shè)施除了常規(guī)的整流牽引變電所之外，沿線路敷設(shè)的主要設(shè)備有軌道中間的一次感應(yīng)線圈、線圈磁屏蔽層、列車位置信號接收裝置，以及各區(qū)段的線圈供電控制箱、逆變器箱、地面設(shè)備監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集裝置。

圖3 PRIMOVE地面一次感應(yīng)線圈

2.3 TRAMWAVE系統(tǒng)

TRAMWAVE地面供電系統(tǒng)的基本工作原理如圖4所示。TRAMWAVE供電軌嵌入式安裝在兩條鋼軌中間的連續(xù)導(dǎo)管內(nèi)，不影響行人及其它車輛的穿行。供電軌只有在車輛駛過時(shí)才能被轉(zhuǎn)向架下的車載磁性集電靴接觸性激活，且僅位于車下固定的一小段區(qū)塊有電，其它位置不帶電。安裝在車輛轉(zhuǎn)向架上的集電靴與地面模塊內(nèi)的柔性導(dǎo)電排都裝有永磁材料，當(dāng)集電靴經(jīng)過模塊供電節(jié)表面時(shí)，柔性導(dǎo)電排受磁力吸引上升，導(dǎo)通供電電源正極，模塊表面帶電，集電靴通過與模塊表面接觸將高壓電引入車內(nèi)；當(dāng)集電靴離開模塊供電節(jié)表面后，柔性導(dǎo)電排受重力作用，回落到安全負(fù)極相接觸的位置，模塊表面失電，且模塊供電節(jié)表面與安全負(fù)極相連，以確保乘客人身安全。

TRAMWAVE供電軌的基本構(gòu)件為一個(gè)長3 m（或5 m）、用于內(nèi)嵌的模塊化組件，如圖5所示。該模塊組件內(nèi)容納了地面供電系統(tǒng)的所需元素。一系列500 mm長且彼此絕緣的鋼制接觸板安裝于模塊組表面。所有模塊組連接在一起形成了TRAMWAVE地面供電軌。車輛駛過時(shí)，只有與車下集電靴接觸的一塊500 mm或最多2塊共1 000 mm的線段為激活通電狀態(tài)，其它均不帶電，保證了供電的安全要求。TRAMWAVE供電系統(tǒng)模組具有自己的電路安全環(huán)，負(fù)極回流不經(jīng)過車輪及鋼軌，有效避免了雜散電流的危害。

圖4 TRAMWAVE基本工作原理示意圖

圖5 TRAMWAVE供電軌斷面結(jié)構(gòu)示意圖

3 車載儲能式牽引供電方案

車載儲能式牽引供電是現(xiàn)代有軌電車的一個(gè)重要發(fā)展方向，是現(xiàn)代電動汽車?yán)砟钤谟熊夒娷囅到y(tǒng)中的延伸與發(fā)展。特別是現(xiàn)代儲能技術(shù)（如超級電容、鋰電池）和現(xiàn)代電力電子技術(shù)及其控制技術(shù)的發(fā)展，使得儲能式牽引供電技術(shù)有了跨越式的發(fā)展。在龐巴迪、西門子、阿爾斯通、卡佛等公司新一代有軌電車系統(tǒng)中，已經(jīng)看到了儲能式有軌電車的雛形。現(xiàn)代有軌電車基本采用交流傳動系統(tǒng)，常用制動為再生電制動，車輛的制動動能被轉(zhuǎn)換為電能并存儲到車載儲能裝置中。為了應(yīng)對局部區(qū)段架設(shè)架空接觸網(wǎng)的困難，采用車載儲能裝置進(jìn)行列車的動力牽引。

3.1 車載儲能裝置系統(tǒng)基本構(gòu)成

與傳統(tǒng)有軌電車相比，儲能式有軌電車在其主電路結(jié)構(gòu)中增加了儲能裝置的充電和放電回路及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)。車載大容量儲能裝置DC／DC變流裝置可設(shè)置于地面變電所或車輛上，放置的位置不同，主電路的結(jié)構(gòu)也不同。

（1）DC／DC充電裝置放置于地面充電站。若DC／DC充電裝置放置于地面充電站，則充電站內(nèi)配置整流變壓器和DC／DC變換器。充電站的輸入電源一般為AC10 kV，輸出電壓為DC500～900 V，地面充電站需根據(jù)車載儲能裝置兩端的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)壓控制。即充電裝置與被充列車需要進(jìn)行一對一配置。此種充電方案的設(shè)備構(gòu)成如圖6所示。

（2）DC／DC充電裝置放置于車輛上。若儲能裝置充電模塊設(shè)置于車輛上，則供電系統(tǒng)只需為車輛受電裝置提供DC750 V電源，故充電站與常規(guī)直流牽引變電所基本一致，可以采用大雙邊供電和單邊供電。此種充電方案的設(shè)備構(gòu)成如圖7所示。

圖6 DC／DC充電裝置放置于地面變電所的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖7 DC／DC充電裝置放置于車輛上的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

兩種充電方案對儲能式有軌電車牽引供電系統(tǒng)的影響見表2。西門子、阿爾斯通、龐巴迪、卡佛和北車大連機(jī)車車輛有限公司等的車輛系統(tǒng)將DC／DC充電裝置放置在車輛上，中國南車株洲電力機(jī)車有限公司將DC／DC充電裝置放置于地面充電站，兩種放置方案均為可行技術(shù)方案。從減輕車輛質(zhì)量的角度，儲能式有軌電車宜將充電模塊放置在地面充電站。從車輛系統(tǒng)的兼容性方面考慮，現(xiàn)代儲能式有軌電車主電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)宜保持與既有有軌電車外部牽引供電接口的一致性，保持車載儲能式牽引與實(shí)時(shí)供電牽引的兼容性，將DC／DC充放電控制裝置置于車載，既可實(shí)現(xiàn)儲能式牽引與常規(guī)牽引供電方式的兼容，又能夠?qū)崿F(xiàn)對車載儲能裝置的安全高效控制。

表2 DC／DC充放電控制模塊放置位置方案對比分析

3.2 車載儲能介質(zhì)的選擇

車載儲能介質(zhì)是保障儲能式有軌電車安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，在有軌電車系統(tǒng)中具有應(yīng)用業(yè)績的車載存儲介質(zhì)主要有蓄電池、超級電容、飛輪及其組合方式。飛輪儲能是一種大容量的機(jī)械儲能技術(shù)，在軌道交通領(lǐng)域尚處于初步研發(fā)應(yīng)用階段。蓄電池和超級電容儲能技術(shù)在有軌電車系統(tǒng)和電動汽車領(lǐng)域已開始工程應(yīng)用。

根據(jù)有軌電車運(yùn)行的特點(diǎn)，車載儲能介質(zhì)除了安全、可靠之外，還應(yīng)具備高功率密度、高能量密度、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、充電速度快等基本特征。表3對比分析了蓄電池和超級電容對現(xiàn)代有軌電車的適應(yīng)性。鋰電池為化學(xué)電池，屬于能量密集元件，能量密度占優(yōu)勢；超級電容屬于物理電池，為功率密集儲能元件，功率密度占優(yōu)勢。

表3 超級電容與蓄電池的主要性能對比表

針對有軌電車停站頻繁、要求充放電時(shí)間短的特點(diǎn)，車載儲能裝置宜選用超級電容，但其能量密度相對較低。就減輕車載儲能裝置質(zhì)量而言，鋰電池等其他高效電池作為儲能介質(zhì)也是可行的。采用超級電容和蓄電池混合式存儲單元，能夠發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)值得深入研究的方向。

3.3 充電方式的選擇

車載儲能裝置一般采用恒流充電、恒壓充電和兩種方式的組合等充電控制模式。無論采用何種充電模式，均需將地面直流電通過充電網(wǎng)向車載儲能裝置快速充電。類似有軌電車牽引供電方式，充電方式主要有如表4所列的四種基本形式。

表4 充電方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

架空充電網(wǎng)充電方式技術(shù)通用，投資相對較低，但安裝位置受車站建筑形式和位置限制。APS、PRIMOVE和TRAMWAVE等三種地面充電方式技術(shù)成熟，充電位置的設(shè)置較為靈活，比較適合半專有路權(quán)的現(xiàn)代儲能式有軌電車系統(tǒng)，但需進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓和國產(chǎn)化工作。將地面供電方式與車載儲能牽引相結(jié)合是現(xiàn)代儲能式有軌電車的發(fā)展方向，既可以避免全線敷設(shè)地面供電設(shè)施所帶來的高昂的建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)成本，又可以降低在交叉路口等非專用路權(quán)區(qū)段車載儲能不夠的風(fēng)險(xiǎn)，提高整個(gè)儲能式牽引供電的可靠性和可用性。

4 牽引供電方式的選擇

地面供電方式和車載儲能式牽引供電均成功實(shí)現(xiàn)了無架空接觸網(wǎng)供電，解決了在核心城區(qū)和景觀敏感地區(qū)的景觀和公共安全問題。針對具體的工程項(xiàng)目，有軌電車牽引供電方式的選擇應(yīng)遵循全壽命周期成本最低原則。即初期投資成本和運(yùn)營維護(hù)成本綜合最低化原則。

傳統(tǒng)的架空接觸網(wǎng)供電和鋼軌回流供電方式具有技術(shù)成熟、運(yùn)營可靠、投資低等特點(diǎn)，在有軌電車系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中可采用地面供電與架空接觸網(wǎng)供電相結(jié)合的方式：在對景觀有特別要求的局部區(qū)段采用APS系統(tǒng)，其余區(qū)段采用架空接觸網(wǎng)供電。例如，法國波爾多共計(jì)43.3 km的CITADIS 100%底地板有軌電車線路中有13.5 km APS線路。

地面供電方式 （如 APS、PRIMOVE 和TRAMWAVE）雖然解決了實(shí)時(shí)牽引供電對景觀的不利影響，但沿線需埋設(shè)大量的地面供電設(shè)施，對沿線設(shè)備的安全性、可靠性、防水性要求較高，對沿線的市政排水功能也有非常高的要求。此外，沿線敷設(shè)供電設(shè)施初期投資成本高，后期的維護(hù)成本也非?？捎^。我國南方一些城市（如廣州）雨水非常多，全線采用地面供電設(shè)施是不合適的。

儲能式牽引供電方式簡化了沿線牽引供電設(shè)施，但增加了有軌電車的復(fù)雜度、車輛質(zhì)量、空載運(yùn)行能耗，以及車輛儲能裝置日常運(yùn)行維護(hù)和更換成本。由于受儲能介質(zhì)能量密度的限制，車載儲能裝置的存儲能量有限。例如，目前60 m長的有軌電車編組，車載儲能的有效牽引供電距離一般在1.5～2 km左右，若考慮到路權(quán)、線路曲線、坡度等因素的影響，其牽引供電距離將進(jìn)一步減少。儲能式牽引供電方式對線路特征和站位的設(shè)置有一定的限制性影響。儲能式牽引供電和地面供電方式相結(jié)合可有效解決其在非專用路權(quán)區(qū)段牽引供電的可用性和可靠性。

因此，應(yīng)結(jié)合線路特征、線路沿線的景觀和安全性要求，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評估后確定有軌電車牽引供電的方式。

5 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)無架空接觸網(wǎng)牽引供電是現(xiàn)代有軌電車可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，是有軌電車牽引供電的發(fā)展方向。

（1）地面牽引供電和車載儲能式牽引供電均是實(shí)現(xiàn)無架空接觸網(wǎng)供電方式的有效解決方案，車載儲能式牽引供電和地面牽引供電相結(jié)合是現(xiàn)代有軌電車牽引供電方式的發(fā)展方向。

（2）與蓄電池相比，超級電容更加適應(yīng)列車頻繁牽引與制動的運(yùn)行特征，是車載儲能介質(zhì)選擇的方向。采用超級電容和蓄電池混合式存儲單元，能夠發(fā)揮各自高功率密度和高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，是車載儲能介質(zhì)進(jìn)一步研究的方向之一。

（3）應(yīng)結(jié)合線路特征及線路所處的環(huán)境，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定牽引供電的方式。局部區(qū)段無架空接觸網(wǎng)供電是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的解決方案。

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