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【摘 要】近年来我国城市轨道交通建设如火如荼、发展迅速，牵引供电系统为轨道交通能源系统的核心部位，其性能与效率直接影响列车牵引功率的发挥和牵引传动控制系统的性能。为了节约轨道交通的能源消耗并提高交通运输效率，牵引供电系统的相关技术一直是研究热点。本文简要梳理牵引供电系统，尤其是其在城市轨道领域的发展历程以及发展方向，对牵引供电系统关键技术进行了深入讨论。
【关键词】轨道交通;牵引供电系统;脉冲宽度调制;节能减排
一、轨道交通牵引供电系统概述
随着我国城市化进程的加快，越来越多的城市居民为城市的交通设施带来了严峻挑战，在这一背景下包括地铁和轻轨的城市轨道交通成为大型城市解决公共交通问题的重要手段。在2019年我国已有40多个城市开通了轨道交通，总运行里程约6500公里，然而便利的交通是建立在巨大的能源消耗基礎上的，仅北京市2017年地铁用电量就达13.99亿度。城市轨道交通供电系统主要由外部电源、变电所、牵引供电系统和动力照明供电系统等组成，其中电力牵引供电系统指从外部电源系统接受电能后通过变压、变相或换流的方式向电力机车负载提供所需电流制式的电能，然后进行电力传输、储存的完整系统。牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网（接触网）组成，牵引变电所分为直流牵引变电所和交流牵引变电所两类，包括整流变压器和整流器两部分，是转换交流电能为机车可用的直流电的中心环节，其任务不仅是将电力系统送来的高压电转化为电力机车所需的电压，而且还通过采用不同形式的变压器及其结线，将电力机车的单相负荷对电力系统的不良影响降低到最小。牵引网则是架设在轨道上为电力机车供电的输电线路。供电系统除了为轨道车辆提供动力外，还承担着照明、温控、自动扶梯等辅助设备的正常运行，是城市轨道交通正常稳定运行的能源大动脉。
我国的城市轨道交通正处于黄金发展期，迫切需要牵引供电系统的改革升级，同时巨大的需求也推动着相关技术的发展。
二、目前城市轨道牵引供电系统存在的缺陷
2.1能源浪费问题
牵引供电系统在使用大量能源的同时也会浪费大量电能，其电能的浪费一方面是电能在变电所和牵引网传输过程中产生的浪费，由于牵引变电所供电距离较短，增加了线路牵引变电所数量和工程建设成本。另一方面是由于轨道交通自身独特的运行方式造成的，众所周知城市轨道与以往铁路运输有很大不同，由于运动过程中相邻两个站台距离较近，一般只有1～2 km，列车运行密度大并且运行速度较高，牵引负荷变动比较大，启动和制动都比较频繁。列车大部分牵引能耗都不是用来克服基本阻力的，制动时不能像火车一样通过惯性缓慢停止，而是主要采用电制动和空气制动两种方式停止，当列车需要停止时会首先利用电制动使列车运行速度降低，速度降到一定范围后会切除电制动而采用空气制动。所谓电制动即电阻制动，是指原来驱动列车行驶的牵引电动机会转变为发电机，利用列车的惯性由轮对带动电动机转子旋转而发电，产生反转力矩消耗列车的动能，达到减速的效果。而电机发出的电流通过专门设置的电阻器，采用通风散热将热量消散于大气中，在这过程中电能转化为动能再转换为电能，很多能量会以热能的形式传递到空气中，造成大量的能源浪费。
2.2 传统整流变压器技术缺陷
由于我国早期的铁线路运量较低，主要采用不可控整流电路的牵引整流变压器，这种传统的牵引整流变压器无法回收列车制动能量，造成能源浪费。随着科技与社会的发展，牵引整流变压器正逐渐向大功率的脉冲宽度调制（Pulse width modulation，PWM）整流器发展，大功率 PWM 装置不仅可以提高供电能力，还能高效地回收列车制动能量，从而节能减排，降低运营成本。
2.3 直流牵引供电系统的缺陷
目前很多城市的城市轨道交通采用直流牵引供电系统，需要搭建直流牵引供电网，将城市的接触网、牵引网与变电站连接起来，这是一种接近串联的供电方式，一旦部分电路出现故障就需要立即更换别的电路保障线路的运行;此外这种供电方式的电流保护系统比较松散，维护措施比较繁琐，维护成本较高，整体效率需要提升。
三、目前新一代牵引供电系统的技术突破
3.1 牵引供电系统的保护措施
无论是从保障城市正常运行还是防止安全事故的角度，电网的安全防护非常重要。因此可以在牵引供电系统中添加供电变压器的电流速断保护装置来实现对轨道交通牵引供电系统的整体维护，保障整个系统的稳定性，此装置进行反时限过电流保护，减少了母线与馈线间出现故障的概率。另一方面，这保护系统可根据短路电流大小适度调整保护装置的启动时间，实现高效化安全防护，减少突发故障对供电系统造成的危害。
3.2电源系统供电方式的优化
目前城市轨道交通的牵引供电系统的电源系统主要有集中式供电、分散式供电和混合式供电三种。其中集中式供电是指建立110 kV 的主变电所，专门为轨道交通的直流牵引变电所和降压变电所提供交流电能;分散式供电是指由城市电网的区域供电系统直接为轨道交通电网的直流牵引变电所和降压变电所提供交流电能;混合式供电是指两种方法的结合，以集中供电方式为主，分散供电方式为辅。这三种供电方式各有优缺点，集中式供电统一管理、统一调度、自成体系，所以事故率比较低且稳定可靠，而分散式供电则成本比较低。
3.3 再生能源利用技术
上文提到轨道交通列车运行密度大、启停频繁，在制动过程中可以将动能再转化为电能，这部分再生制动能量相当可观，产生的电能可以转化为再生电能加以储存利用。由此除了电制动和空气制动外研究者们提出了再生制动，将列车制动的能量送至电力网络中重新利用，如供给列车本身的辅助供电系统、照明系统、其他相邻列车以及车站负荷等使用，从而避免列车制动时的能量白白浪费掉，是一种可持续的“绿色制动”方式，
3.4计算机技术发展对牵引供电系统优化管理的作用
近年来随着计算机技术、人工智能技术的发展，研究者们可以直接在电脑上为轨道交通运行时的牵引供电系统建立数学模型，仿真模拟整个系统的运作，通过一些数据的计算和算法的模拟进行系统的优化，在保证供电系统运作质量的同时降低运行能耗，节约能源降低成本。例如西南交通大学肖建课题组就将以列车节能操控归结为一非线性的时变两点边值为题，提出了列车最优操纵的数学模型，根据多列车在线路上运行时的牵引网网压、整流变电所负荷过程等，进行计算模拟列车位置、电取流、用电功率等随时间的变化关系，并给出了最优操纵策略的简化与实现方法。郑州大学陈根永等人就以郑州地铁一号线为例，利用 MATLAB 软件中的 Simulink 仿真工具箱对地铁牵引供电系统进行建模，并根据线路列车的配置参数搭建城轨列车的动态模型，利用上述模型实现了一辆地铁列车从启动、牵引、惰行到制动的运行过程完整仿真，并分析整个运行过程中的谐波分布情况。
结语：综上所述，我国轨道交通的需求大、发展快，对牵引供电系统的节能系统、高效运行等方面的要求不断增加，无数研究者和工程师都投身于此类研究中，通过理论分析和实验模拟等多种方式对牵引电力系统的保护措施、电源供电方式、再生能源利用技术、管理系统等多个方面对进行了研究探索，并取得了一系列成果。
参考文献：
[1]何洋阳，黄康，王涛，张葛祥.轨道交通牵引供电系统综述[J].铁道科学与工程学报，2016，13（02）：352-361.
[2]刘炜.城市轨道交通列车运行过程优化及牵引供电系统动态仿真[D].西南交通大学，2009.
[3]金照盈.城市轨道交通供电系统谐波分析及对配网的影响研究[D].郑州大学，2014.
（作者单位：中铁电气化局集团有限公司城铁公司）
【关键词】轨道交通;牵引供电系统;脉冲宽度调制;节能减排
一、轨道交通牵引供电系统概述
随着我国城市化进程的加快，越来越多的城市居民为城市的交通设施带来了严峻挑战，在这一背景下包括地铁和轻轨的城市轨道交通成为大型城市解决公共交通问题的重要手段。在2019年我国已有40多个城市开通了轨道交通，总运行里程约6500公里，然而便利的交通是建立在巨大的能源消耗基礎上的，仅北京市2017年地铁用电量就达13.99亿度。城市轨道交通供电系统主要由外部电源、变电所、牵引供电系统和动力照明供电系统等组成，其中电力牵引供电系统指从外部电源系统接受电能后通过变压、变相或换流的方式向电力机车负载提供所需电流制式的电能，然后进行电力传输、储存的完整系统。牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网（接触网）组成，牵引变电所分为直流牵引变电所和交流牵引变电所两类，包括整流变压器和整流器两部分，是转换交流电能为机车可用的直流电的中心环节，其任务不仅是将电力系统送来的高压电转化为电力机车所需的电压，而且还通过采用不同形式的变压器及其结线，将电力机车的单相负荷对电力系统的不良影响降低到最小。牵引网则是架设在轨道上为电力机车供电的输电线路。供电系统除了为轨道车辆提供动力外，还承担着照明、温控、自动扶梯等辅助设备的正常运行，是城市轨道交通正常稳定运行的能源大动脉。
我国的城市轨道交通正处于黄金发展期，迫切需要牵引供电系统的改革升级，同时巨大的需求也推动着相关技术的发展。
二、目前城市轨道牵引供电系统存在的缺陷
2.1能源浪费问题
牵引供电系统在使用大量能源的同时也会浪费大量电能，其电能的浪费一方面是电能在变电所和牵引网传输过程中产生的浪费，由于牵引变电所供电距离较短，增加了线路牵引变电所数量和工程建设成本。另一方面是由于轨道交通自身独特的运行方式造成的，众所周知城市轨道与以往铁路运输有很大不同，由于运动过程中相邻两个站台距离较近，一般只有1～2 km，列车运行密度大并且运行速度较高，牵引负荷变动比较大，启动和制动都比较频繁。列车大部分牵引能耗都不是用来克服基本阻力的，制动时不能像火车一样通过惯性缓慢停止，而是主要采用电制动和空气制动两种方式停止，当列车需要停止时会首先利用电制动使列车运行速度降低，速度降到一定范围后会切除电制动而采用空气制动。所谓电制动即电阻制动，是指原来驱动列车行驶的牵引电动机会转变为发电机，利用列车的惯性由轮对带动电动机转子旋转而发电，产生反转力矩消耗列车的动能，达到减速的效果。而电机发出的电流通过专门设置的电阻器，采用通风散热将热量消散于大气中，在这过程中电能转化为动能再转换为电能，很多能量会以热能的形式传递到空气中，造成大量的能源浪费。
2.2 传统整流变压器技术缺陷
由于我国早期的铁线路运量较低，主要采用不可控整流电路的牵引整流变压器，这种传统的牵引整流变压器无法回收列车制动能量，造成能源浪费。随着科技与社会的发展，牵引整流变压器正逐渐向大功率的脉冲宽度调制（Pulse width modulation，PWM）整流器发展，大功率 PWM 装置不仅可以提高供电能力，还能高效地回收列车制动能量，从而节能减排，降低运营成本。
2.3 直流牵引供电系统的缺陷
目前很多城市的城市轨道交通采用直流牵引供电系统，需要搭建直流牵引供电网，将城市的接触网、牵引网与变电站连接起来，这是一种接近串联的供电方式，一旦部分电路出现故障就需要立即更换别的电路保障线路的运行;此外这种供电方式的电流保护系统比较松散，维护措施比较繁琐，维护成本较高，整体效率需要提升。
三、目前新一代牵引供电系统的技术突破
3.1 牵引供电系统的保护措施
无论是从保障城市正常运行还是防止安全事故的角度，电网的安全防护非常重要。因此可以在牵引供电系统中添加供电变压器的电流速断保护装置来实现对轨道交通牵引供电系统的整体维护，保障整个系统的稳定性，此装置进行反时限过电流保护，减少了母线与馈线间出现故障的概率。另一方面，这保护系统可根据短路电流大小适度调整保护装置的启动时间，实现高效化安全防护，减少突发故障对供电系统造成的危害。
3.2电源系统供电方式的优化
目前城市轨道交通的牵引供电系统的电源系统主要有集中式供电、分散式供电和混合式供电三种。其中集中式供电是指建立110 kV 的主变电所，专门为轨道交通的直流牵引变电所和降压变电所提供交流电能;分散式供电是指由城市电网的区域供电系统直接为轨道交通电网的直流牵引变电所和降压变电所提供交流电能;混合式供电是指两种方法的结合，以集中供电方式为主，分散供电方式为辅。这三种供电方式各有优缺点，集中式供电统一管理、统一调度、自成体系，所以事故率比较低且稳定可靠，而分散式供电则成本比较低。
3.3 再生能源利用技术
上文提到轨道交通列车运行密度大、启停频繁，在制动过程中可以将动能再转化为电能，这部分再生制动能量相当可观，产生的电能可以转化为再生电能加以储存利用。由此除了电制动和空气制动外研究者们提出了再生制动，将列车制动的能量送至电力网络中重新利用，如供给列车本身的辅助供电系统、照明系统、其他相邻列车以及车站负荷等使用，从而避免列车制动时的能量白白浪费掉，是一种可持续的“绿色制动”方式，
3.4计算机技术发展对牵引供电系统优化管理的作用
近年来随着计算机技术、人工智能技术的发展，研究者们可以直接在电脑上为轨道交通运行时的牵引供电系统建立数学模型，仿真模拟整个系统的运作，通过一些数据的计算和算法的模拟进行系统的优化，在保证供电系统运作质量的同时降低运行能耗，节约能源降低成本。例如西南交通大学肖建课题组就将以列车节能操控归结为一非线性的时变两点边值为题，提出了列车最优操纵的数学模型，根据多列车在线路上运行时的牵引网网压、整流变电所负荷过程等，进行计算模拟列车位置、电取流、用电功率等随时间的变化关系，并给出了最优操纵策略的简化与实现方法。郑州大学陈根永等人就以郑州地铁一号线为例，利用 MATLAB 软件中的 Simulink 仿真工具箱对地铁牵引供电系统进行建模，并根据线路列车的配置参数搭建城轨列车的动态模型，利用上述模型实现了一辆地铁列车从启动、牵引、惰行到制动的运行过程完整仿真，并分析整个运行过程中的谐波分布情况。
结语：综上所述，我国轨道交通的需求大、发展快，对牵引供电系统的节能系统、高效运行等方面的要求不断增加，无数研究者和工程师都投身于此类研究中，通过理论分析和实验模拟等多种方式对牵引电力系统的保护措施、电源供电方式、再生能源利用技术、管理系统等多个方面对进行了研究探索，并取得了一系列成果。
参考文献：
[1]何洋阳，黄康，王涛，张葛祥.轨道交通牵引供电系统综述[J].铁道科学与工程学报，2016，13（02）：352-361.
[2]刘炜.城市轨道交通列车运行过程优化及牵引供电系统动态仿真[D].西南交通大学，2009.
[3]金照盈.城市轨道交通供电系统谐波分析及对配网的影响研究[D].郑州大学，2014.
（作者单位：中铁电气化局集团有限公司城铁公司）