城市轨道交通供电系统低碳节能技术发展综述

城市轨道交通供电系统低碳节能技术发

展综述

摘要：轨道交通的合理化运营与人们的日常出行息息相关，给人们带来较多

便利的同时也促进了交通行业的可持续发展。现阶段，轨道交通建设在节能环保

管理工作中还存在一些问题，造成节能效果未能充分发挥。本文对于轨道交通建

设当中相关节能问题进行了简要的分析，并提出了相应的解决措施，促进了轨道

交通建设技能技术的进一步发展，从而推动我国交通事业的可持续发展。

关键词：轨道交通；供电系统；低碳节能；技术

1城市轨道交通关联系统

城市轨道交通列车运营主要由供电、信号、车辆等多个专业共同组成。车辆

是旅客运输的载体，车辆的耗能主要体现在列车牵引辅助系统。车站环控设备主

要是指站内的照明、空调、电梯等相关设备。

城轨供电系统一般由交流高压、牵引供电、低压动力照明等系统组成。牵引

供电系统按电压等级，一般可分为DC1500V、DC750两种。其中，DC750V系统仅

在北京、昆明、天津等城市应用，如北京房山线、昆明1号线等。以DC1500V系

统为例，牵引变电所从市电35kV电网取电，经降压变压器、整流器、直流开关

柜等设备输出稳定的DC1500V。牵引变电所二极管整流供电系统拓扑结构图。

牵引变电所采用整流装置，实现交流电源到直流牵引电源的转换，由于采用

二极管整流，系统只能实现能量的单向流动。列车制动时产生的能量，大部分被

车载制动电阻以发热的形式消耗，进而导致隧道内热量的积累，使隧道温度上升。近年来，地铁公司开始在降压变压器与直流母线之间，新增能量回馈装置，用于

列车制动能量的回收，较好地解决了既有线路的电制动能量的消耗问题。

城轨信号系统一般由车载信号设备和地面信号系统组成，是支撑列车运行的

核心，通过ATC控制系统，实现对列车的运行控制。为保证列车的正常运营，列

车准点率和精准对标是信号系统的首要目标。

2城市轨道交通供电系统低碳节能技术发展策略

2.1清洁能源利用

目前，城市轨道交通清洁能源利用主要是把太阳能接入供电系统。由于早期

建设项目多为地下线路，且受到当时电力电子技术发展的制约，装有光伏发电的

线路较少。国内外关于光伏电站接入轨道交通牵引供电系统的研究状况，从光伏

接入电气化铁路与城市轨道交通两个方面，讨论了接入方式、逆变方式以及存在

的电能质量问题；综合分析了光伏接入轨道交通牵引供电系统的经济、社会和环

境效益。光伏发电系统的交流和直流两种接入模式，交流并网模式具有控制策略

简单成熟的优点，直流侧并网模式可以减少接触网损耗，具有提高牵引供电质量

和节能的双重作用。

除光伏发电，其他形式的清洁能源在我国城市轨道交通领域的应用较少。通

过回顾2020年中国各地出台的氢能发展政策，分析得出政策重点主要集中于交

通领域，包括氢燃料电池车技术研发、关键设备制造和加氢站建设等，而轨道交

通则是未来氢燃料电池技术的发展重点之一。通过分析燃料电池技术及产品特点、燃料电池技术研究现状及发展趋势，以及对未来燃料电池供电方式、有轨电车的

经济性进行预测，为氢燃料电池交通车辆发展战略提供决策依据。分析地热能发

展形势，指出地热能在推动雄安新区清洁能源利用、助力北方地区冬季清洁取暖、满足冬冷夏热地区供暖制冷需求等方面具有巨大的发展潜力。

2.2列车牵引系统

城轨列车牵引系统是实现列车牵引运行的执行系统，通过响应信号系统的控

制指令，实现列车的牵引控制，是列车牵引能耗的直观体现。从牵引系统角度降

低能耗的技术路线，主要考虑更加高效的牵引系统。

永磁同步牵引电机因为转子采用永磁材料励磁，转子没有损耗，具有高功率

密度、高效率、高功率因素的特点。永磁同步电机低速段的高效特性，与城轨列

车频繁启动的工况契合，可以大大提高系统传动效率，在减少牵引能耗的同时，

增加电制动工况下的能量回馈。长沙地铁1号线永磁牵引系统的应用，经第三方

评估，相比异步牵引系统综合节能接近30%。

下一代功率半导体SiC器件以其高耐压、高频、耐高温等特性，驱动了牵引

变流器高效、高功率密度和轻量化。在实现牵引效率的进一步提升的同时，实现

了列车进一步的轻量化，促进城轨列车的节能降耗。

2.3环保型高架技术

在部分城市轨道交通建设项目当中，已经广泛应用了高架线路技术，从而控

制了轨道交通的能源消耗，并有效降低了轨道交通的实际运营成本，节省了一半

的能源。由于这项技术发展的时间较短，还不够成熟，存在一定的缺陷需要解决。比如较重的大轴A、B型车辆，在运行当中容易出现持续性的噪声以及振动。这

种情况下，利用高架线路技术，并充分发挥环保型高架技术的优势，在确保不影

响节能效果的条件下，可以采用降噪减震的综合性方式，进行替代或者声屏障的

取消，并需要对高架线路的周围环境条件进行进一步的完善。比如采取新型地跨

坐式单轨系统等其他的低噪声制式。

2.4交流制式下绿色柔性供电系统

市域铁路因其站间距大、速度高，大多采用AC25kV牵引供电系统。市域铁

路的车站及主变电所一般设置在城市较为偏僻的地方，占地面积大，可以充分考

虑光伏发电及风力发电的利用。此外，可以设置一些储能装置，将清洁能源产生

的电能存储起来，在系统故障时作为应急用电，达到“削峰填谷”的目的。对于

车辆制动能量，目前交流市域铁路一般将其直接反馈至电网，由于反馈电能具有

谐波、负序等问题，并不产生经济效益。但在“双碳”背景下，如何将这部分能

量有效利用起来，也是目前交流制式市域铁路亟待解决的问题。对京沪高铁南京

南站牵引变电所的相关测试数据进行分析，在主变压器27.5kV侧，反向有功约

占正向有功的45%左右，说明设置再生能量利用装置的合理性和必要性。针对高