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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(tǒng)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(tǒng)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(fā)的國內首列100%低地板車，完全自主研發(fā)了牽引及輔助變流系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的變流器是裝在車頂?shù)模偷罔F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(tǒng)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(xié)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(jié)能全電制動技術、全數(shù)字化高頻輔助控制和并聯(lián)綜合供電技術、基于先進網(wǎng)絡架構的故障診斷及實時監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)，但是我們這個是屬于完全自主研發(fā)、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(tǒng)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(jīng)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?shù)膯栴}。煤炭挖出來之后在坑口，要運輸?shù)綑C車貨運站的話中間有個距離，傳統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)。這個系統(tǒng)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(tǒng)的牽引供電直流保護技術，采用帶邊端效應補償?shù)闹本€電機牽引矢量控制技術。

4.混合動力動車組牽引傳動系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)加一個柴油發(fā)電機這樣一種方式，主要目的是為了實現(xiàn)這種車的跨線運行。因為現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)，這是咱們現(xiàn)在正在研發(fā)的，也是和北車研發(fā)的一個項目。

5.高速鐵路電力牽引傳動系統(tǒng)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(lián)合基金的一個項目。正在研究的項目主要是針對牽引系統(tǒng)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(huán)保、運能大和能源消耗少的特點。但是伴隨路網(wǎng)規(guī)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(jié)能的話，最大的潛力也是在牽引這塊。目前來講，也已經(jīng)做了很多工作，比如車的輕便化，比如牽引傳動系統(tǒng)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。現(xiàn)在世界上對牽引傳動系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)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(fā)電機，它是把動能轉換成電能了，相當于發(fā)出能量了。這部分能量占的比例，據(jù)咱們的一些統(tǒng)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(shù)補償?shù)裙δ苡谝惑w，系統(tǒng)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(fā)熱，減少環(huán)控系統(tǒng)投資和能耗，并且節(jié)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(wǎng)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(shù)。智能功率模塊并聯(lián)技術是將多個IGBT（或IGBT半橋）并聯(lián)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(lián)，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(tài)環(huán)流。然后通過多重化的串并聯(lián)，提高整個系統(tǒng)容量，但是需要解決多重化串并聯(lián)控制問題——串聯(lián)均壓、并聯(lián)均流。外特性協(xié)調控制技術是為了實現(xiàn)二極管整流機組與能饋式牽引供電裝置的協(xié)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(wǎng)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(tǒng)集成與優(yōu)化技術等。目前，能饋式牽引供電裝置已經(jīng)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(jù)北京地鐵10號線二期十里河和西釣魚臺的實測數(shù)據(jù)，按照每套能饋裝置日平均節(jié)能1600kW•h，則一年將節(jié)約58.4萬kW•h電。按照1元/kW•h計算，則直接經(jīng)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?shù)慕?jīng)濟效益包括：減少無功補償設備投資不小于500萬元；節(jié)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(shù)據(jù)為例，每天有4個小時功率因數(shù)在0.4～0.5左右，功率2000kW，有2個小時，功率因數(shù)在0.6～0.7左右，功率4000kW。根據(jù)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(jié)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(huán)控設備的能耗，通風系統(tǒng)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(fā)的這個裝備實際上有很多綜合的優(yōu)勢，潛力是非常大的。

作者：張鋼