现代有轨电车供电方式的研究与对比

现代有轨电车供电方式的研究与对比

针对超级电容有轨电车的用电特性，研究在不同牵引网络下有轨电车充电装置的主电路，分析其在DC1500V 供电电压、AC10kV 供电电压以及AC380V 供电电压下的充电状况及控制策略。分别从架设专有线路、城市电力需求、供电质量和供电可靠性方面进行对比。研究可知，储能式充电装置能良好适应各种充电环境，对电网容量需求低、具有实用、经济、可靠等优点，能有效促进储能式有轨电车的建设发展。

标签：有轨电车；储能式；供电网络；充电装置；对比

0 引言

以汽车为主体的城市交通造成大气污染、不可再生能源危机和道路堵塞等情况频繁发生，发展城市公共交通是良好的解决方式。城市公共交通包括地铁、轻轨、电动公交车、有轨电车。其中地铁在我国大城市建设趋于完善，而有轨电车凭借其中运量、运行可靠、成本低、节能环保等特性，更适用于大城市城区之间的联系和中小城市的交通运行需求。

有轨电车的供电方式有：①沿途架设架空线路，有轨电车通过受电弓连接架空线通电运行；②第三轨供电，在钢轨旁侧铺设一条特殊的轻型钢条，输入直流电作为牵引动力；③感应式地面供电系统，分别在电车行走轨下方和电车底部安装线圈，能量通过 2 个线圈的电磁感应从下方的线圈传给电车[2]；④采用储能装置，以列车车载储能装置为动力，各站点安装充电装置，列车到站后经充电装置接入供电网络充电。

架空线路有轨电车存在影响城市景观的问题，第三轨供电和感应式地面供电都存在成本较大、维护困难等问题。而随着对储能元件的研究开发，其能量密度和功率密度得到大幅提升，储能元件主要有锂电池和超级电容组。如今，3 V/9 500 F 超级电容在城市交通中得到商业应用，将多个超级电容串并联组成的超级电容组作为储能单元能满足有轨电车的站间能量需求，其快速充放电的特性也适用于频繁启停的城市轨道交通。

有轨电车在充电期间频繁短时大容量的脉冲功率需求对城市配电网的安全稳定运行提出了很高的要求，需要对其充电方式进行研究。本文将对 3 种不同供电网络下的充电方式在充电效率、对供电网和配电网的影响方面进行综合比较。

1 超级电容有轨电车供电方式

有轨电车站间充电装置结构主要由其供电系统决定，分为直流供电网络、中压供电网络、低压供电网络。

1.1 直流供电网络

根据国家标准《城市轨道交通直流牵引供电系统》，架设直流牵引供电网，直流供电电压为 1 500 V。有轨电车车载超级电容在恒流充电的方式下效率最优，其充电装置功率变换主回路如图 1 所示。

其由LC 滤波、DC/DC 变换器、预充电电阻组成，采用交错级联降低各个分支的充电电流。DC/DC 变换器将整流的直流电通过控制调整到合适的电压或电流。该拓扑的优点有：模块化设计、控制简单、方便扩容。

1.2 中压供电网络

中压配电网额定电压有 6 kV、10 kV、20 kV。可由多路变电站牵引电能搭建有轨电车供电网络，其充电装置主回路如图 2 所示。

其由隔离变压器、LCL 滤波器、AC/DC 整流器和斩波器组成。LCL 滤波器用于滤除有轨电车充电时产生的谐波，AC/DC 整流器采用三相PWM 整流器，其作用是将三相交流电转为直流电。该拓扑的优点在于谐波少、能独立控制、可通过调整控制参数满足有轨电车不同的充电需求。

1.3 低压供电网络

站间充电装置就近接入380V 城市低压配电网，无需专门架设供电网络。其功率变换主电路如图 3 所示。为减小充电装置对低压配电网的容量冲击，在充电装置内加入储能系统，减小充电功率。

其主要由LCL 滤波器、三相PWM 整流器、超级电容组、斩波器、放电电阻组成。其工作模式是在有轨电车未进站时，三相PWM 整流器将三相交流电转变成直流电给站内储能系统充电，有轨电车到站后，站内储能系统通过斩波器为有轨电车充电。该拓扑的优点是：无需架设专有线路、模块化设计、对电网容量要求低、能适用于不同的供电网络、具有极佳的适应性。

2 充电装置主电路控制策略

2.1 三相电压型PWM 的控制策略

有轨电车作为大容量负荷，其运行会对电网产生谐波干扰，若采用不控整流，则其功率因素较低，且车辆充电产生的谐波电流、无功功率和电路损耗会造成电网电压波动和电网污染，使得有轨电车难以通过供电系统入网认证。采用三相电压型PWM 整流器，双闭环回路控制，交流侧电流内环控制以提高充电装置功率因素，直流侧电压外环控制以输出恒压信号，还可采用直流侧电流外环控制输出恒流信号。其控制框图如图 4 所示。

2.2 DC/DC 控制策略

忽略电感电容的寄生电路，其主要功能是将VSR 整流的直流电转换为恒定的电流或电压。根据超级电容的充电特性，采用先恒流后恒压的充电方式。其控制框图如图5 所示。

3 有轨电车充电对电网的影响分析

3.1 对城市输电网的影响

直流牵引供电网和中压牵引供电网络下充电装置输入功率和有轨电车输入功率相等，而低压供电网络下充电装置输入功率则低于有轨电车的输入功率。充电装置内超级电容组充电时间为 2 辆有轨电车发车间隔时间，在同样充电能量的前提下，其充电装置输入功率为前两者的1/20～1/6。以武汉超级电容有轨电车运行参数为例，有轨电车输入电压为DC900 V，输入电流 1 200 A，输入功率1.08 MW，设站点20 個。当多个站点同时充电时，采用直流牵引网和中压牵引供电网络下的充电方式对城市电网提出了极大挑战。而储能式充电装置通过延长充电时间极大地减小了对整个电网的容量需求。

3.2 对城市配电网的影响在滿足有轨电车线路充电站容量的前提下，由于直流供电网络和中压供电网络采用的是专有线路，故其不会对其他用电负荷产生较大干扰。而储能式充电装置就近接入了380V 城市低压配电网，其充电功率约为配电网变压器容量的1/3。因此，需对有轨电车接入的线路进行系统规划，避免接入负荷过重的线路，更多考虑线路负载率低的接入点，故采用低压供电网络充电的有轨电车站点需根据城市负荷情况及有轨电车线路规划综合决定（表1）。

4 结论

未来有轨电车的快速发展必然会对城市电网带来较大影响，对比研究合适的有轨电车充电方式，有助于更好地推广有轨电车。由上述分析可以看出，以上 3 种供电网络下充电装置设计都能满足有轨电车的充电要求，但考虑到对城市输电网和配电网的影响，得出了储能式充电装置具有更好的经济性和适应性的结论。其不需专门架设牵引网络，极大降低了有轨电车充电容量，减小了功率和电网电压波动，以及相应的电力增容费和建设费用。针对其供电可靠性，可以适当增加充电装置内超级电容组容量，使得能满足在供电网络出现短暂故障或负荷较重时有轨电车的能量需求。同时，储能充电装置也适用于中压供电网络，具有模块化特性和良好的适应性。

参考文献

[1] 周路菡. 现代有轨电车崛起[J]. 新经济导刊，2013（9）：27-30.

[2] 蔡波，李鲲鹏. 现代有轨电车无接触网牵引供电方式研究[J]. 城市轨道交通研究，2015，18（1）：72-77.