轨道列车紧急自牵引实施方案研讨.docx

轨道列车紧急自牵引方案研讨
常年处于超负荷运行状态下的城市轨道交通，会使其牵引供电系统的保护动作频发、供电线路老化加剧、供电安全事故不断［１］。世界很多大城市已经建立了针对城市轨道交通的应急救援机制，例如在车站提供了紧急公交车用以疏散大量乘客。但在某些情况下城市轨道交通的供电系统出现故障，列车只能滞留原处等待救援。本文给出了一种新颖的紧急救援方案：安装一套车载储能系统，依靠该系统提供的电能，使城市轨道交通列车在统一指挥下实施自牵引［２－３］，行驶至合适的邻近车站，而不需要外部救援列车的介入。本方案可以成为城市轨道交通应急系统中的一个重要组成部分，可以在第一时间内实施有效救援，并可大大提高应急救援系统的灵活性。在某些特殊情况下（如短区域内断电等），仍然可以使城市轨道交通网络保持通畅的运营。
１具有紧急自牵引能力的列车牵引系统架构
１.１现有列车牵引电气系统
以上海轨道交通１１号线为例，现有的动车牵引电气系统示意如图１所示。图１中，列车受电弓将１５００Ｖ架空接触网高压直流电引入动车，先后经过５个部分———预充电电路、线路低通滤波器、过压抑制电路、牵引逆变器和交流牵引电机。其中，牵引逆变器将直流电能变换成交流牵引电机调速所需的变压变频（ＶａｒｉａｂｌｅＶｏｌｔａｇｅＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ，简图１现有城市轨道交通列车牵引电气系统示意图为ＶＶＶＦ）三相交流电，而牵引电机将电能与机械能进行相互转化。这两者是牵引电气系统的核心。
１.２列车紧急自牵引系统
列车紧急自牵引系统（ＥｍｅｒｇｅｎｃｙＳｅｌｆＴｒａｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，简为ＥＳＴＳ）的方框图如图２所示。图２中粗线表示功率流，细线表示信号流。ＥＳＴＳ包含能量存储系统（ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍ，简为ＥＳＳ）、接口电路、ＥＳＴＳ控制器和人机界面等部分。其中最为重要的就是车载能量存储系统。目前，城市轨道交通列车已经配置有车载低压１１０Ｖ蓄电池组，通常为两组蓄电池，其总容量约３００Ａｈ。根据相关标准要求［５］，蓄电池在列车故障情况下提供紧急照明和紧急通风使用。电池组的功率与能量都比较小［６－７］，不能用于正线列车的自牵引行驶。比较目前技术成熟且适于列车应用的储能方式，最适宜的依然是蓄电池。常用于列车的蓄电池是铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。另外，苏州星恒电源有限公司设计的国产磷酸铁锂离子电池组已于２０１０年在南京地铁列车开始使用，经受了列车１１０Ｖ低压系统兼容性和充放电能力等多方面的考验，使之替代镍镉蓄电池已成为可能。三种蓄电池组的对比见表１。目前，城市轨道交通列车普遍使用的是镍镉蓄电池，但是其最明显的缺点是记忆效应和重金属镉的污染。从表１的对比中可以看出，锂离子蓄电池的体积和重量最小，维护工作少，因而是车载储能器件的最佳选择。此外，一组锂离子蓄电池的价格目前约１０万～１５万元，与ＳＡＦＴ等国外知名的镍镉蓄电池相比，锂离子蓄电池组在价格上并无劣势。在列车实施自行牵引中，牵引逆变器采用ＥＳＳ供电。１１０Ｖ蓄电池难以提供相应功率，通常可以将多组蓄电池进行串联使用。
２列车紧急自牵引系统设计
２.１典型工况设定
由上海轨道交通１１号线线路坡道汇总表（见表２）可知，小于１０‰坡度的坡道在所有坡道中过半数，所以列车紧急自牵引的典型运行工况设定为：列车位于１０‰、５００ｍ的坡道开始启动加速（较苛刻的工况），其后是１０００ｍ的平直坡道，列车运行速度为１０ｋｍ／ｈ，负载设定为ＡＷ０（空车）、ＡＷ２（额定负载）与ＡＷ３（最大负载）三种。
２.２工况仿真分析
在ＭＡＴＬＡＢ软件平台上，编制仿真软件对列车的功率与能量需求进行仿真。三种负载工况下的仿真结果见图３。在图３中，从上到下分别为牵引电气功率Ｐｅ、能耗Ｅｅ、牵引力Ｆ，以及４组１１０Ｖ蓄电池串联后在最低电压下放电电流Ｉ的仿真曲线。
２.３蓄电池系统设计
图４给出了磷酸铁锂离子电池在不同放电倍率下的放电特性曲线。按照单节蓄电池放电电压到２.６Ｖ计算，在３Ｃ（放电倍率）下可以进行约２０ｍｉｎ的１００％放电。在５Ｃ下可以进行约１１.５ｍｉｎ的９７％放电。即便按照１０Ｃ下进行放电也可以持续约５.５ｍｉｎ。由此可明显看出，锂离子电池在大倍率电流放电时具有良好的库仑效率。将４组１１０Ｖ／１２０Ａｈ锂离子电池串联后供给列车紧急自牵引使用，在ＡＷ０负载下，蓄电池组基本是在３Ｃ内放电；在ＡＷ２负载下，蓄电池组基本在３.３Ｃ左右放电；在ＡＷ３负载下，蓄电池组基本按照４Ｃ放电。将图３与图４对比可以看出，锂离子电池的放电能力有较大保留。在ＡＷ３负载的列车紧急牵引工况中，蓄电池的放电深度也仅约３０％。这样，即便考虑到电池组的初始电荷状态、老化系数等因素，４组蓄电池完全可以满足上述工况的需求。
３结语
针对城市轨道交通列车在外部供电瘫痪情况下的紧急救援，本文给出了在第一时间内实施紧急自救的方案———利用车载备用蓄电池组的电能储备，使动车牵引逆变器驱动列车行驶。１）本文给出了具有紧急自牵引功能的城市轨道交通列车电气系统架构。该系统需要添加车载储能系统、接口电路、ＥＳＴＳ控制器与人机界面等部分。２）在典型工况下，配置４组１１０Ｖ蓄电池组即可满足列车行驶的功率与能量需求。蓄电池的串联组合开关电路需要经过合理设计。蓄电池组的体积约１.２ｍ３，质量约１ｔ，价格约６０万元。牵引用蓄电池位置在牵引逆变器附近为佳。３）在外部电网故障情况下，即便紧急牵引功能不被激活，车载蓄电池也有足够功率和能量满足辅助电气系统和更长时间的应急照明和通风使用。４）蓄电池牵引功能需要在整车设计时予以充分考虑，以便对自牵引系统进行优化设计，特别是需要妥善解决牵引逆变器发热、空气制动等问题。５）从目前储能技术、电力电子变换技术及成本等因素看，列车的紧急自牵引方案会在不久的将来得以实施。
第5页 共5页