有轨电车

第四章：动力系统

4.0动力系统

本章的主要目的是介绍基本的电气化牵引系统的概念以及对于推进车辆技术的新的动力系统的与牵引系统的关系。它的目的不是提供电气系统的设计和建设的详细信息。

“动力系统装置”是由电力牵引系统（TES）和车辆上其他相关的装置等组件组成。传统的有轨电车车辆电力驱动的方式是通过由变电站和相关的线等构成的驱动系统（TPS）以及由高架线和相关支持结构构成的架空接触网系统（OCS）向车辆提供动力。

电力系统的设计需要考虑每根线的路线和外形轮廓，还有考虑在不同时间运行的无数车辆的运行规划，还有气候条件以及在被使用的专用车辆等。还有确定变电站的数量、尺寸以及坐落位置。电力牵引系统的设计是为了在所有工作条件下当线路电压超过了标准时维持线路电压在一个规定的范围内。不会导致电线的有害过热或其他可以缩短系统部件的寿命不利因素。再通过计算机模拟在不同的工作场景（包括一个或多个变电站的操作）的情况，并确认证实其假设。

在过去120年，接触网（OCS）已经成为轻轨和有轨电车的首选功率分配方法。然而，其他几种方法最近几年也有进入市场。并且为了降低能源成本,新型地面供电系统的应用被限制了，车载储能供电系统正变得越来越普遍。现在一些车辆也配备足够的储能系统支持短距离（小于1.6km）脱离接触网的运行。可以长距离脱离接触网的车辆正在发展中。

回顾表4-1提供的现在应用于有轨电车和轻轨动力驱动的说明，突出显示了车载储能如何在不同情况下使用。本章的以下章节详细讨论了这些不同的系统，就速度和正在发展的技术而言，动力系统最容易改变的。因此，这些内容仅仅反映了这个行业的当前状态，在不久的将来很有可能明显不同。

表4-1

有轨电车/轻轨的车载储能

4.1工作电压和电流的运输

从18世纪90年代开始，有轨电车采用工作电压在500伏到600伏之间。一些快速交通系统和城市间电气化铁路系统采用更高的电压，但是在今天600伏在全世界仍是最常见的使用系统。在20世纪初，安装在车体地板下电动机与有轨电车车体融为一体，但是电压被直流电动机转换器的直径和一些被利用的材料所限制。

随着电机设计和材料研究的进步，提高电压到750伏或者更高是可实现的。高电压的结果是在获得同样功率的情况下，动力系统提供一个较小的电流。并且

有轨电车/轻轨

供电系统 储能系统（ess ）类型 电池 超级电容 飞轮

其他

传统的系统

接触网是最基础的提供能源系统

储能系统储存能源

储能系统可用作备用能源 地面动力系统 地面电力系统/接触网是最基础的体统

能源系统

储能系统常常在地面电力系统的断中段

作为备用能源

脱离接触网的能力 无论有没有额外的能源提供储能系统始

终是最基本的能源供应系统。充电是靠

制动和接触网/地面供电系统

“混合”

（增加发电机）储能系统是最基础的能

源供应系统

车载储能

在较低的电流水平下运行可以降低了电线电阻的功率损耗。因此，对于同等功率的需求，更高的电压系统可使变电站安装在更远的距离。今天，有轨电车和轻轨最常见的牵引供电工作电压600和750伏直流电，新系统21在750伏是最常见的。1500伏也开始应用于轻轨系统。对于新系统750伏是最常见的。在选择工作电压时，可能要重点考虑的存在因素是的多式联运操作，即在规定的区域内，共同运行各类车辆，如轻轨和有轨电车。在该地区的其他系统采用相同的工作电压，并建立其他兼容的动力系统设计标准，可以为探讨系统规划提供重要的好处。

有轨电车和轻轨车辆的供电受流方式通常是通过受电弓，但是在北美的一些传统和遗留系统中仍然使用集电杆。全世界的无轨电车系统也使用有轨电车的拉杆，由于需要有分开的正极和负极与接近的导线相连为了车辆在交通运输中能够偏离高架道路。交通运输中使用的是电线杆，尤其是带有一个旋转头的电车杆，可以克服基础设施操作所强加的限制，所以为了一个新的有轨电车的运行它们的使用不应该被限制。系统其他方面设计也一样，应采用大胆分析的方法来评估其运行的局限性。

标准系统导线高度会根据当地实际情况有所不同，但19英尺（5.8米）是一种常用的标准。对于用以上导线的街道，其高度是高于国家安全规范的最小值8英尺（5.5米），为两支持点之间的导线下垂提供弥补的距离。垂直间隙限制在城市地区也很常见，因为有轨电车的路线可能需要通过桥梁和其他低建筑物下。从物理的角度分析，有轨电车运行的最小高度是由有轨电车车身的高度加上受电弓的高度（区别于锁定高度）所决定。这个总高度会随着车辆类型的不同而不同，但是一般都是11英尺10英寸和12英尺8之间（3.6和3.9米）。当地巷道间隙的规定也将影响到如何放置架空线。在垂直间隙的另一端，有轨电车的电线可能在同一水平面和铁路干线交叉，所以在十字路口架空线高度通常需要提高到22.5和23.5英尺之间（6.9和7.2米）。这种极大和极小的高度在那里都存在，考虑到受电弓的高度范围，车辆的采购文件中要包括这些信息（见第1.1节“占空比”）。为了给车载储能设备充电，当车辆停止和运行时高架线提供的电流可能会被限制。车辆的受电弓可以在车辆停止时为车载储能设备充电，它可能为了降低受电弓和架空线对高电流的容纳要求。

4.2能源存储系统

能源费用是电力传输运营成本的重要组成部分。现代拥有高性能的动力系统和空调设备的有轨电车比20世纪的消耗更多的能源。因此，轨道交通行业在最近几十年里一直致力于研究怎样减轻重量和节约能源的技术。通过再生制动实现能源的重新利用是最成熟的技术，已经电力铁路22得以运用。它允许牵引电机在制动时发电，并把电量分配给接触网，为附近的其他正在加速的车辆制造可用的电流。现在即使附近没有其他车辆，较新的技术也被用来获取和重新利用制动是产生的能量。固定（地面动力）和移动（车载）储能系统在近几年都有相当大的发展，除了降低系统的能源消耗外，他们还带来了许多其他的好处。

有轨电车运行时的启动和停止特别适合在车载储能系统中使用，因为频繁的制动为能量的再生循环利用提供充足的条件。移动储能还应用在提高常规动力系统的性能方面，例如在加速时减小电流峰值，尽可能减少电量需求使小型变电站得以投入使用。通过这些技术，能够脱离接触网运行的车辆得以发展（详见4.3）。

在传统的再生制动的使用过程中，车辆制动时接触网电压会升高并且远大于额定电压。电压增加带来功率增加的此程度是取决于车辆推进设计时允许电压的范围以及电线的承受能力。在这种情况下，同一线路上运行的所有其他车辆必须设计时满足这个高电压要求。因为这个原因，描述车辆运行的线性工作特性上应包括在第1.1节中提到的“占空比表”中的有关再生制动运行的数据。

4.3脱离接触网的能力

4.3.1接触网的美观问题

分配电力的接触网系统是被证实了的，也是非专有的，所以它的组件可以从多个供应商中获得。他们在美观方面存在的反对意见。于是在实际中良好的接触网设计要认识到与上文相关的美学和与街道以及一些其他敏感地区的搭配的重要性。在这方面的努力还不够，可能是车本或者其他的原因，导致这些装置会被大众看到，所以在他们的生活环境中是不恰当和不好看的（图4-2)）。

接触网的设计也是一个重复的过程，必须与轨道和其他线形要素的设计互相协调。快捷公共车辆运营系统（TCRP）报告7“减少接触网系统的视觉冲击”中有建议“如果在设计过程中有这个减少目标，那么接触网的视觉影响会被降低”。通常提高接触网系统的美观的方法是通过用建筑物或者其他结构的锚点代替网杆和靠结合可能的照明系统，交通信号系统和其他的网杆来减少接触网网杆的数

量。合成跨线（其绝缘性能允许其配件数量减少）也作为美观设计的基础（图

4-2)）。

图4-2

接触网系统好的和差的美观

在左面，一个修建的大型接触网架空线系统覆盖了整个街道设备。在右边为优化城市，架空线组合附近建筑物的锚点来较少网杆的数量

对于城市有轨电车的应用，在每个轨道上只安排一条单一的接触线（而不是多线“接触触网”的安排）是可接受的操作，但是它需要更多的支撑点。当使用一个单一的接触线，绘制电流线路时还要考虑到一个地下平行支线的额外费用，但是这是个需要长期的低维护项目，还会和附近的连接导线有交叉的地方。另外，一些新的有轨电车系统使用采用大量小的“无支线”系统在一些变电站密集的地方代替平行支线。

4.3.2脱离接触网的能力

虽然触网是最常见和最可靠的功率分配方法，但是现在技术开发提供一些重要的新的选择。节约能源和消除在某些领域的架空导线的视觉冲击结合的愿望，导致了“脱离接触网能力”的车辆发展。这个术语指的是车辆可以在传统的接触网（或地面电源系统）以及在直线段部分，没有外部电源。消除架空电线可能在历史上敏感的区域或需要路线优化的地方被需要（例如简化一个复杂的接触网结或其他导线的布置，降低交通信号设施冲突或允许严格要求限制垂直间隙如低桥

下时对准通过）。

脱离接触网的操作是通过某种形式的移动（板）能量存储系统。以电池或超级电容器为基础的系统在这个时候是最常见的，但其他技术如飞轮也在发展（原型车现在在使用）。车载储能系统是在途中通过捕获车辆制动循环和车辆在动力校准过程中产生的能量来充电。固定的“充电站”也可以使用，通常是在乘客下车站或终端位置，车辆不管怎样都会停止。车辆的离线的“范围”将不仅取决于具体的技术，而且还取决于特定路线的特点。包括加速要求，等级和需要空调或加热的气候条件的操作条件将对车辆的范围和能量储存元件的寿命有一个显着的影响。车辆的能量存储和管理系统通常是根据一个特定的应用程序的要求与设计师寻求平衡，重量和性能要求进行优化。例如，电池的大小取决于为了最大限度的提高它们的工作寿命而限制放电水平的需求。更重要的是，脱离接触网的车辆通常会在一个低性能模式运行以减少能源消耗和延长范围。加速度可能会降低，车辆会自动开始“甩负荷”，例如通过减少或关闭空调设备。

4.3.3脱网接触网运行范围的扩展

通过另外系统的有轨电车电线上的部分短的线路实现脱离接触网车辆的有规律运行已经在欧洲产生。尼斯和法国自从2007年就有两个短的线路（0.27和0.3英里）。塞维利亚和西班牙自2010年也有0.28米（450米）运行线路，萨拉戈萨和西班牙在2012年开始运行1.25英里（2公里）的线路。其他脱离接触网的系统现在正在建设中，包括西雅图第一座山线路。对定期服务的脱离接触网车辆扩展测试也在其他几个欧洲城市开始，以及一些原型车辆的生产者在2011年参观了一些美国的系统。

市场也在关注脱离接触网运行范围的扩展。具有在足够的范围内脱离接触网运行能力车辆允许在一个完整的线路上不需要额外负担或地面电源供应运行，它的发展除以收费目的最低限度外正在进行。在美国通常讨论的方案是让少数拥有短的（＜3英里）循环系统的车辆运行。截至这篇文章，许多原型车已经成功地完成了脱离接触网距离为5英里（8公里）运行的测试，但是至今还没有这样收费服务的系统。

一些“自由线路”在某些特定地方仍然需要动力和相关的动力分布（接触网或地面电源系统其中一个）来充电。预计在运行结束时，可能需要延长充电时间，

应进行业分析（考虑到车辆运行范围和充电时间），以确定是否需要额外的车辆来保持所需的进程和时间表。此外，系统扩展的潜力也应告知基础设施建设措施潜在成本的节约。例如，对于轨道施工，由于一个脱离接触网的能力的车辆在脱离接触网运行时不需要顺着轨道的牵引电流，理论上，在这些路线上以这种方式运行的车辆将消除有关杂散电流的相关设备。因此轨道施工可以放弃电气隔离设备和钢轨的铰接以及与为保护杂散电流的相关设备，来降低建设成本。然而，作为一个单一的孤立线以后可能被纳入一个更大的系统。如果将来有一天扩张能合理的转换为有线运行，应考虑到使用这样的轨道的实际情况。将嵌入式轨道的基本环节进行改造是不可行的，因此，这一问题将需要在系统规划过程中确定。

最后，另一种延长脱离接触网的运行范围是选择“混合动力”车辆，“混合动力”车辆增强车内带有电机（燃料发电机或燃料电池）的能量存储系统的储能功能，来创建自动化储能车辆。美国，一些这样的车辆已经被开发并在一些景点作为旅游导向的电车。这些实例没有空调的要求，在全规模的中转业务中会遇到一个要求不高的占空比。欧洲的其他实验性的混合动力车也在发展。在本文中，虽然混合动力的运输车辆越来越普遍，但是混合的概念还没有发展到超过的铁路车辆的。

4.3.4系统的对比

成本问题经常在比较常规的车辆和有脱离接触网能力的非常规的车辆时被提起。对于无接触网的线路或地面供电系统（虽然充电基础设施不能被忽视）相关的成本和维护费用会被节约，还有对其他基础设施如交通信号的影响也显著降低。然而，虽然基础设施的建立和维护可能变得不那么昂贵，但是车辆会变得昂贵。车辆将有更加复杂的技术，也可能变得更重（有多重取决于所使用的能源储存设备的类型和任何抵消重量变化的因素），购买和维护也会很昂贵，操作不灵活（由于为了最大限度地提高脱离接触网运行范围，额外能量存储设备的增加，充电的需要和其他影响性能的要求，内部布局或屋顶空间设备存在潜在的影响）。

因为这些原因，动力系统的选择受系统的大小和未来的扩展的影响。常规架空线车辆和脱离接触网的车辆成本效益分析将会改变由于被需要的车辆数量会很大。拥有接触网的车辆成本是固定的不管被使用的车辆数量，然而脱离接触网的车辆的成本会随着被使用的车辆数目的增加而大大增加。因此一个只有几辆

车，20分钟的间隔，2英里的系统是不同于20辆车，20车五分钟，6英里的系统。

与系统设计的其他方面一样，不同的动力系统和储能技术有不同的优缺点，并且每一个都应该在当地工作条件下检查。在生命周期成本的基础上综合考虑能源的节约以及在系统的生命周期内维护成本进行技术的比较也很重要。能量存储设备（例如，电池和超级电容器）的消耗也是很重要的，这将有一个有限的经营周期和大量的替换/处理成本。在生活中，“真实世界”的运行环境对系统组件的影响也必须考虑，知道在运输过程中，推动这些组件超过“理论”的正常工作使用水平有时可能是必要的。

最后，应该指出的是，能源储存技术在运输中的应用正在迅速发展，主要被其他行业如电动汽车。不同的解决方案的成本和能力是不断变化的，能源成本也是不断变化的。尽管在这个市场上竞争者很多，但实际上只有少部分的厂家有收入。因为即使潜在的好处已经清楚的显示，但是在这个时候大多数技术还处于发展的早期阶段，许多还处于原型阶段。由于缺乏行业经验和不确定性的投资回报以及“婴儿”技术潜在的长期风险使得项目支持者投资决策很困难。

随着市场的扩大，成本通常会降低，而且技术也在不断提高；组件供应商正在增大存储设备的功率和范围，同时降低它们的重量、尺寸和成本。因此10年以后的有轨电车在能量储存方面可能会和现在的大有不同。在车辆上增加能量存储系统在一定降低了与其他专有技术有关联的风险，这也是个重要的考虑因素。一些车辆产家有说明，他们的能量存储产品不仅适合改造自己的车辆，也适合竞争者的。总的来说，一个模块化的不影响车辆其他方面性能的强化技术是非常可取的。

总结：动力系统

不仅是这篇文章，随着技术的发展，动力系统的主题也飞速流传。10年以后的有轨电车的能量储存系统和今天的可能大有不同。主要的不同点如下：

接触网的美学问题.在过去120年，接触网已被接受作为轻轨和有轨电车系统的首选功率分配方法。存在的反对它的主要理由是从美学观点。于是在实际中良好

的接触网设计要认识到与上文相关的美学和与街道以及一些其他敏感地区的搭配的重要性。

储存能量有很多方法.一些替代接触网的供电方式已将进入市场。目前为降低能源成本新类型的地面供电系统在有限的使用，车载储能正变得越来越普遍。另外，现在一些车辆可以配备足够的能量存储系统允许短距离脱离接触网运行。能长距离脱离接触网运行的车辆也正在发展。

对生命周期费用减少的对比.当考虑到脱离接触网的车辆时，虽然基础设施的建立和维护可能变得不那么昂贵，但是车辆会变得昂贵。车辆将有更加复杂的技术，也可能变得更重，购买和维护也会很昂贵，操作不灵活。因为这些原因，动力系统的选择受系统的大小和未来的扩展的影响。常规架空线车辆和脱离接触网的车辆成本效益分析将会改变由于被需要的车辆数量会很大。拥有接触网的车辆成本是固定的不管被使用的车辆数量，然而脱离接触网的车辆的成本会随着被使用的车辆数目的增加而大大增加。

脱离接触网的车辆必须考虑到充电时间，并认识到，车辆在脱离接触网状态下为了减少能源消耗和延长运行范围，将以一个低性能模式运行。在生命周期成本的基础上综合考虑能源的节约以及在系统的生命周期内维护成本进行技术的比较也很重要。能量存储设备（例如，电池和超级电容器）的消耗也是很重要的，这将有一个有限的经营周期和大量的替换/处理成本。

应用新技术在一定程度上最大限度地减少专有设计的影响.由于能源存储系统在很大程度上仍然处于一个发展阶段，它们可以预计将迅速发展随着的技术发展。在车辆上增加能量存储系统在一定降低了与其他专有技术有关联的风险，这也是个重要的考虑因素。

4.4地面供电系统

地面供电系统系统（GLPS）在车辆的外部，需要专门的基础设施和车辆设备。地面供电系统使用分段的电力铁路或感应线圈系统，位于两运行轨道和通电之间，只有当车辆在轨道上时才能供电。

地面供电系统可以提供一个“接触式”或“非接触式”形式的系统。在接触形式的系统中，沿着供电的轨道表面有集电靴；在非接触形式的系统中，车辆和导轨之间的电气连接是使用感应技术（图4-3和4-4）。

图4-3图4-4

“非接触式”导轨的界面车辆的集电靴

“非接触式”地面供电系统在准线“非接触式”地面供电系统的集电靴。

部分使用嵌入式感应线圈。这里路边逆变器将750伏直流电转换

导轨的前部显示的切片是线圈。为三相交流输电系统的车辆。

地面供电系统有效地利用传统的架空线供电系统，并将其定位于地面。但是又和接触网系统不同。只有当车辆通过一个或多个短路线时才必须启动动力供应系统，促使复杂性显著性增加。该系统还需要在一个传统的处理系统（TPS）中建立牵引变电所及相关电气分布系统，在接触式系统中，电流仍会流会运行钢轨就像接触网系统。地面供电系统没有利用再生制动能量回馈配电系统能量的能力。虽然在下文中，这种能量可能被捕获，但不是被车载储能系统。

现代地面供电系统在2003年在波尔多、法国第一次亮相，是一种接触式系统（图4-5）。该技术目前的一个典型应用是配备传统的接触网的供电系统，虽然在迪拜它已经宣称第一系统设计将使用完全地面供应系统。到目前为止，所有的接触式地面供电系统在线路上“连续”的安装，指的是在整个“自由线”部分目前采用第三轨供电。

采用接触式系统的所有车辆也配备了电池作为后备能源，在个别供电段未能供电时工作。车辆都将以电池的形式配备足够的车载储能容量允许在某些线路（非连续的区域）代替第三轨供电。基于对定位特性的分析，地面动力系统将设在车站和其他车辆需要停止位置以及车辆远离车站后需要加速的超过段、爬坡或其他要求高功率的地点。车上的储能电池将在余下没有额外动力的部分提供动力。保证导轨电力基础设施的数量降到最低（只有百分之25的是第三轨供电，其余百分之75使用电池供电），这项技术目的是降低地面供电系统基础设施成

的本（如接触式系统在所有自由线路下采用第三轨供电）。

图4-5

地面供电系统

地面供电系统在波尔多、法国的许多古迹街道上广泛使用。地面供电系统的使用使轨道复杂化。需要特别的设计允许运行钢轨和供电轨交叉。第三轨高于路面表面12mm误差0.5mm，就避免了把设施放在车辆混合的交通轨道。

总结：地面供电系统

地面供电系统在车辆的外部，需要专门的基础设施和车辆设备。地面供电系统使用分段的电力铁路或感应线圈系统，位于两运行轨道和通电之间，只有当车辆在轨道上时才能供电。地面供电系统有效地利用传统的架空线供电系统，并将其定位于地面。但是又和接触网系统不同。只有当车辆通过一个或多个短路线时才必须启动动力供应系统，促使复杂性显著性增加。

由于其技术的复杂性，地面供电系统的成本明显比传统的接触网的高。它们也具有高度的专有权，系统扩展存在潜在的复杂性。所有的接触式地面供电系统在线路上“连续”的安装，指的是在整个“自由线”部分目前采用第三轨供电。地面供电系统也使得轨道工程师和安装程序的工作更具挑战性的，特别是如果它必须安装在专用轨道的，促使路供电轨的复杂性（图4-5）。虽然现在这个系统已经在欧洲得到认证，但是它尚未被在美国批准使用，所以应该预料到在这个时候该系统还需要比接触网系统更大认证工作。

正如所有的新技术，可以预料到地面供电系统会随着国外经验的指导得到更大的发展。进入商业运作的技术早已经随着初产品的经验演化出第二代产品。然而，在这个时候这是值得注意的是，现有存在的四个中两个在计划或施工中地面供电系统系统27（所有来自同一供应商）都位于降雪不严重的地方。地面供电系统在大雪，冰，高降雨量或严重落叶的地方工作情况如何是不知道的。