联系我们   I    中文版   I    English
销售热线:+400-9266161
联系电话:+86-574-87663106
传       真:+86-574-87355002
轨道世界 RailWorld
作者:何治新 (广州地铁设计研究院有限公司,高级工程师)
日期:2015-09-21

导读 IDRailWorld分析了现代有轨电车牵引供电方式的现状及发展趋势。介绍了各种无架空接触网牵引供电系统解决方案,并对其工程适用性和经济技术性进行分析比较。对于现代有轨电车系统而言,采用无架空接触网供电是牵引供电系统的发展方向。储能式牵引供电系统是实现无架空接触网的重要手段,能够满足现代城市对节能环保及改善城市景观的需求。而减轻现代有轨电车的自重以及延长车载储能装置的使用寿命是现代储能式有轨电车进一步研究的重点和难点。

 

牵引供电系统是现代有轨电车的一个重要系统,直接影响着现代有轨电车的立项、建设和运营。结合城市景观要求,选择适合线路特点和行车方案的牵引供电方式,是现代有轨电车项目前期研究工作中的必要工作。本文就现代有轨电车各类牵引供电模式及其适应性进行分析。

1 有轨电车牵引供电方式的现状与发展

有轨电车是一种历史悠久的公共交通工具,其线路一般为地面线路,其传统牵引供电方式一般采用架空接触网供电、钢轨回流的方式。虽然架空接触网供电方式结构简单、技术成熟,且具有非常成功的工程应用业绩,但是对城市景观有一定的影响。

为解决有轨电车可靠供电与城市景观之间的矛盾,近年来经过各方共同努力,有轨电车接触网美化和无接触网系统技术有了长足进展。针对传统架空接触网对城市景观的负面影响,目前主要有三种解决方案:方案一,对架空接触网本身进行景观设计,弱化其负面影响,降低其对周围环境的冲击;方案二,将有轨电车沿线的供电设施设置于地面,采用沿地面敷设供电设施,并分段供电等方案,解决安全问题;方案三,采用车载储能装置提供电能,代替实时受流,取消沿线架设的供电设施。

2 无架空接触网牵引供电系统解决方案

2.1 阿尔斯通APS系统

2.1.1 工作原理

APS系统是地面接触式供电的典型代表,采用地面接触轨供电、钢轨回流制式。APS系统主要由接触轨、支架、直流配电单元、直流监控柜等组成,其构成如图1所示。其工作原理为:在地面两条走行轨中间埋设接触轨,接触轨按一定长度分段敷设,两段之间设置绝缘节,电能从接触轨通过受电靴传送至列车;沿接触轨每隔一段设置一个控制箱,当列车进入相应区段时,在接触轨控制箱内的控制单元接收到列车上发来的编码信号后向该段接触轨供电;其余接触轨保持接地,以保证行人安全。

 

APS系统消除了有轨电车沿线铺设带电接触轨的危险。由于其通电轨段仅限于车体下方并被车体包围,因此安全性能够得到保障。

2.1.2 适应性分析

APS系统采用地面实时分段接触式供电,取消了沿线的架空接触网,彻底解决了与城市景观相关的问题。目前APS系统的应用多采用与常规架空接触网相结合的方式,即:在对景观有特殊要求的局部区段采用APS系统,其余区段采用架空接触网供电。

采用APS系统,解决了有轨电车牵引供电系统对城市景观的不利影响,但需要在沿线埋设大量分区供电轨旁设备,且对设备的安全性、可靠性、防水性和沿线市政排水系统提出了非常高的要求。该系统的投资成本约为4000-5000万元/km。因此,APS系统适宜与常规架空接触网相结合使用,在局部对景观要求较高的区段采用APS系统,其余区段采用常规架空接触网。

2.2 庞巴迪PRIMOVE系统

2.2.1 工作原理

PRIMOVE系统采用的是地面感应线圈非接触供电技术,通过在沿线地面敷设供电装置,以非接触方式为列车提供牵引电能。PRIMOVE系统是利用电能与磁场相互转化的原理实现能力传输的:当感应系统检测到有车辆通过时则接通电源,线圈产生的磁场被列车底部安装的受流器感应,并转化为电能供给车辆牵引系统(如图2所示)。线路沿线敷设DC 750V供电电缆,每隔一段距离在线路侧埋设一套逆变装置;一次侧线圈敷设在地面两条走行轨中间,二次侧线圈安装在列车上。首先,将DC 750V逆变为高频交流电,输入地面的一次侧线圈;当列车上的二次侧线圈与一次侧线圈位置重合时,在二次侧线圈感应高频交流电,经整流和逆变后为列车的交流电机供电。只有当列车进入相应区段时,地面一次线圈才接通电源,其他时刻地面一次线圈处于断电状态。其供电分区是随车辆运行而改变的,从而保障沿线人员和车辆的安全。

2.2.2 适应性分析

基于感应式电力传输原理,PRIMOVE系统使电动车辆可以在行驶中或静止时进行充电。PRIMOVE系统兼容所有路面,因此,不必建设架空接触网系统。采用PRIMOVE系统,在线路的轨道之间和沿线需要埋地敷设和安装供电设施,其投资和后期的维护成本较高(投资成本约为2000-2500万元/km)。

2.3 安萨尔多Tramwave系统

2.3.1 工作原理

Tramwave系统采用的是自然磁力技术:安装在车辆转向架上的受电靴与地面模块内的柔性导电排都装有永磁材料,当受电靴经过模块供电节表面时,模块内的柔性导电排受磁力吸引上升,导通供电电源正极,模块表面带电,受电靴通过与模块表面接触将电力引入车内。当受电靴离开模块供电节表面后,柔性导电排受重力作用,回落到与安全负极相接触的位置,模块表面失电,并保证模块供电节表面与安全负极相连,以确保乘客人身安全。图3Tramwave系统地面供电系统示意图。

2.3.2 适应性分析

Tramwave系统可与传统架空接触网结合使用,实现混合供电。从目前国外应用实例可以推断,Tramwave供电技术是安全、可靠的,但是尚有一些技术问题需要进一步研究。目前Tramwave系统的投资成本约为1500-2000万元/km

2.4 车载储能式牵引供电系统

2.4.1 储能式牵引供电系统的基本构成

现代储能式有轨电车是现代电动汽车理念在有轨电车系统中的延伸与发展。现代储能技术如超级电容、锂电池以及现代电力电子技术及其控制技术的发展,使储能式牵引供电技术有了跨越式发展。现代有轨电车基本采用交流传动系统,车辆的常用制动为再生电制动,可将车辆制动动能转换为电能并存储到车载储能装置中。采用车载储能装置进行列车的动力牵引,可应对局部区段不适合架空接触网形式的问题。

储能式有轨电车与传统有轨电车相比,是在其主电路结构中增加了储能装置的充电和放电回路及其相应的控制系统。如图4所示,图中虚框中部分为储能装置的充放电模块。充放电控制电路一般采用DC/DC变换器,其作用是降压和升压的控制和充放电电流的控制。

2.4.2 车载储能介质的应用

1)蓄电池。法国尼斯在200712月投入运行的有轨电车线路要通过两个重要的广场,不能架设架空接触网。其解决方案是使用蓄电池短距离供电,在架空接触网供电时再向蓄电池充电。阿尔斯通的Citadis302型有轨电车装有DC 540V200kW SAFT NiMH蓄电池组,能以80Ah供电27kWh。蓄电池的正常使用寿命预期约5年。

2)超级电容器。2003年,庞巴迪在德国的曼海姆有轨电车系统采用超级电容器作为蓄能装置,向有轨电车供电。这种Mitrac节能装置,当充足电时容量为300kW,可以利用的能量为60%。经过4年的试验,其节能效果十分可观,除了再生制动的正常节能效果外,能耗还可降低20%,并可减少架空接触网线损耗约6%

3Sitras HES混合型蓄能装置。西门子开发的Sitras HES技术用于CombinoPlus有轨电车,在葡萄牙的Almada进行试验。由DC 750V充电的超级电容器和另外增加的一组牵引蓄电池形成混合动力方式。Sitras HES采用空气冷却超级电容器,工作电压为DC 190-480V,组成2144kW的装置。在正常运行条件下,蓄电池由架空接触网供电,最大充电电流为22A。蓄电池的最大放电电流为200A。在正常制动情况下,再生电能有1/3反馈到架空接触网,1/3被超级电容器吸收,1/3用于车上的辅助设备。

4CAF快速充电蓄能装置。西班牙CAF采用快速充电方案,这是一套由车载超级电容器供电的系统。车载超级电容器在进站制动时,可利用再生电能充电,停站时利用车站架空接触网进行快速充电。该系统在西班牙Zaragoza轻轨1号线使用,站间无需架设架空接触网。

5)飞轮储能技术。飞轮储能是将能量储存在高速旋转的飞轮中,利用飞轮实现电能到机械能再到电能转换的储能装置。阿尔斯通交通运输部和威廉姆斯混合动力公司签署协议,双方合作在有轨电车上安装并测试飞轮储能技术,将于2014年开始测试原型系统(即威廉姆斯的复合材料MLC飞轮储能装置)。

2.4.3 储能式牵引供电系统的适应性分析

储能式牵引供电系统利用车载储能代替地面与车辆的实时供电,是现代电动汽车技术在现代有轨电车系统的延伸与发展,充分利用了储能技术和现代电力电子控制技术的发展成果。采用储能式牵引供电系统,彻底消除了架空接触网对城市景观的不利影响。该系统适合城市内对景观要求比较高的场合的现代有轨电车系统。

鉴于目前储能介质——储能容量的限制,现代储能式有轨电车需要根据线路特点在沿线设置充电站,以便对有轨电车及时快速充电。针对目前半专有路权的现代有轨电车系统,在交叉路口采用储能式牵引供电系统供电存在风险,因此需要合理设置车站及其充电站的位置,合理配置车载储能装置的容量。

2.5 无接触网方案技术经济比选

上述几种无接触网供电系统方案的经济技术比较分析见表1



3 结语

对于现代有轨电车而言,架空接触网供电是一种经济、可靠的运行方式,且现代技术可以使架空接触网设备简洁美观,并能达到较长的使用寿命。但是,从整个现代有轨电车系统所产生的社会效益上看,无架空接触网现代有轨电车系统是发展趋势。储能式牵引供电系统是实现无架空接触网的重要技术之一,能够满足现代城市对节能环保及改善城市景观的需求。



对于全线设置于城市中心城区的线路而言,为满足城市景观要求,其牵引供电系统选择储能式牵引供电方式较为适合。对于部分位于城郊的线路,其牵引供电方案在城区可选择储能式牵引供电系统,在郊区可选择架空接触网供电。现代有轨电车系统主流供货商如西门子、阿尔斯通、庞巴迪、卡佛、中国南车和中国北车也都在进行储能式牵引供电的技术研究和工程实践,在既有系统的基础上通过技术革新都能够实现储能式牵引供电。

蓄电池和超级电容均是成熟可靠的车载储能介质,均具有相应的有轨电车系统应用经验。在使用寿命、充放电特性方面,超级电容更加适合有轨电车的运行环境,适宜采用;但是其能量密度相对较低,会增加车辆的运行能耗。因此,减轻现代有轨电车的自重和延长车载储能装置的使用寿命,是现代储能式有轨电车进一步研究的重点和难点。


宁波市江北九方和荣电气有限公司 www.herong.com.cn 2015 版权所有 浙ICP备06002406号-1
公司地址: 宁波市江北区洪塘工业园区C区长阳路866号 邮政编码 315002 电话+86-574- 87663106 传真 +86-574-87355002 

技术支持  运营管理部