储能式有轨电车工程供电系统探讨

摘要：本文主要针对城市轨道交通供电系统概述、对车载储能装置性能的要求、储能式有轨电车牵引供电方案以及建设成本与效益进行简要分析，仅供参考。

关键词：有轨电车；蓄电池储能；供电系统

中图分类号：C35 文献标识码： A

一、城市轨道交通供电系统

城市轨道交通是指采用专用轨道导向运行的城市公共客运交通系统，包括地铁系统、轻轨系统、单轨系统、有轨电车、磁浮系统、自动导向轨道系统、市域快速轨道系统。

1、供电系统的组成

传统城市轨道交通供电系统的组成包括牵引供电系统、动力照明供电系统、电力监控系统、杂散电流防护系统和防雷接地系统等。

在城市轨道交通供电系统中，从发电厂经升压、高压输电网、区域变电站至主降压变电站部分通常被称为牵引供电系统的“外部（或一次）供电系统”。从主降压变电所（当它不属于电力部门时）及其以后部分统称为“牵引供电系统”。

2、地铁

地铁线路长，供电距离较远，一般至少2座35kV主变电所，若干牵引降压变电所，分别给牵引网和动照配电系统供电，主变电所和牵引降压所之间采用“手拉手”或星式组网方式。每座35kV主变电所引入2路外部电源，2座主变电所互成冗余。

3、接触网式有轨电车

二、对车载储能装置性能的要求

1、电能的清洁性

有轨电车的一大优势就是使用了对环境友好的电能，在取消接触网的情况下实现车载储能供电，首要满足的是车载储能装置供给电能不会对环境造成额外的污染。比如2014年底通车的广州海珠生态城有轨电车试验段，市民可乘坐这种新型有轨电车沿珠江南岸观赏风景。

2、储能装置的容量问题

车载储能装置提供的能源要能满足（单独地供给）车辆的运行，容量的大小非常重要。考虑到目前可以在（每个）站台实现充电，储能装置的容量最好能达到无压力运行最少两站之间的距离。（假如一站有故障现象）

3、储能装置的重量尽可能轻，体积尽可能小

对于结构紧凑的有轨电车，目前大多的储能装置都安装在车顶上，尽量做到其轻便化和微型化。

4、充电迅速

考虑到目前储能装置的容量问题，不可能实现车辆不通过充电而持续运行，所以在运行过程中充电问题就显得格外重要。对车载储能装置充电速度越快，意味着车辆停放时间越短。北京先行电气有限公司设计的超级电容充电装置完美的解决了此类问题。

5、车载储能装置的经济性

考虑到经济成本的问题，要求车载储能装置的使用寿命和检修周期更长，运行稳定性更好。

目前车载储能技术发展迅速，超级电容、镍氢电池和飞轮等技术逐步开始运用到有轨电车储能装置中，车载储能式牵引供电技术有了较大的发展。

三、储能式有轨电车牵引供电方案

1、地面供电方式

传统的地面供电方式主要是第三轨供电， 通过在地面架设供电的第三轨， 再由受电靴将电能传送到车辆进行供电。 这种系统简单可靠，但安全性不高，对于不对行人封闭的有轨电车直接采用该系统是不可行的。 但是，如果通过一定的方法让该轨平时不带电，只有当车辆通过时覆盖部分局部带电， 其他部分依旧绝缘，这样既能保障人员的安全，也能持续性地对车辆供电。 阿尔斯通、庞巴迪、 Ansaldo STS 等公司都提出了自己的地面供电方案，并且做了大规模的研究与应用。

1.1 阿尔斯通 APS 系统

APS 系统采用在地面上铺设分段的接触轨， 取代了架空的接触网，解决了景区对美观性的要求。图 2 所示为法国波尔图采用该系统的有轨电车。 该系统设计安全可靠，对行人和乘客都没有任何危险，且供电轨埋在地上，减少了维修的难度。具有接触网与地面供电之间的自动切换装置， 可以在对景观有要求的地段采用APS 系统，其他地段采用接触网供电。但是 APS 系统需要铺设专门的接触轨， 且需要在地下埋设大量的供电设备，对设备的可靠性、安全性要求较高，特别是雨雪天气的防水排水问题有待进一步改进。另外接触轨导电段和绝缘段的磨损同步问题，有待研究。

图 2 法国波尔图 APS 系统有轨电车

Primove 电磁感应供电系统是庞巴迪公司于 2008年开发的一种有轨电车供电技术。 该系统将供电感应设备埋于轨道下方，每隔一段距离设置一套逆变装置。当地面电缆完全被列车覆盖时，感应装置感应到列车，供电电缆供电， 逆变装置将 750 V 的直流电转换为交流，地面的初级线圈产生感应磁场，车辆上的次级线圈感应到高频交流电，为车辆运行供电，同时为车载储能装置 Mitrac 节能器充电。 列车通过后，地面初级线圈不再接通电源，始终处于断电状态，不会对行人造成威胁。 列车在站台停车时充入的电能和列车再生制动产生的电能都很好地储存在 Mitrac 节能器里，当列车通过无 Primove 系统的路段时供给列车。 Primove 系统地面装置和车上装置示意图如图 3 和图 4 所示。Primove 系统采用了电磁感应的原理，使有轨电车 能够在没有架空接触网的情况下也能供电运行。 这消除了接触网所带来的对城市美观的影响， 尤其在古迹的地区使用不再担心破坏景区的景观。

Primove 系统兼容所有的路面或轨道，只是在沥青或者水泥路面需注意对电缆的保护， 而且对于各种天气气候都有很好的适应性。 相对于接触网占据庞大的空间， Primove 系统节约了城市宝贵的空间资源。 因为是无接触供电技术，所以也不用担心产生摩擦，减少了维护。 而且埋于地下的充电设备不只能为有轨电车充电，也可用于其他相同系统的公共汽车充电，节约了基础设施的成本。 但是 Primove 技术带来了一定的电磁污染，造成一定的社会负面影响。

1.3 Tramwave 地面供电系统

Tramwave 是由意大利 Ansaldo STS 公司研发的有轨电车地面供电系统。 该系统主要由连续的 3 m 或5 m 长、用于内嵌的模块组成，每个模块上分布着若干段 50 cm 长的传导金属板。 玻璃钢槽永久嵌入在两条轨道中间， 其他组件都按照一定的模式安放在这个槽内。当车辆驶过时，转向架下端的车载磁性集电靴与金属板接触，通过磁力吸起模块内的柔性导电带，电路导通， 再通过金属板导电将电流传至集电靴直达车辆供车辆运行使用。 当车辆通过后， 柔性导电带受重力作用，回到安全位置，金属板不再带电。 未激活与激活状态如图 5 和 6 所示。

Tramwave 系统实现了在无架空接触网情况下的连续电力供应，美化了城市的景观。在轨道间安装供电接触轨也比较容易，且不用再装其他辅助设备，适用于既有线路和新建线路。 该系统也可以与传统的接触网供电配合适用，如在对景观有要求的地段使用 Tramwave系统，其它地段继续适用接触网系统。

2、车载储能供电方式

2.1蓄电池供电技术

法国尼斯为开通的有轨电车线向阿尔斯通公司订购 Citadis 型低地板有轨电车，但是该线路需要通过两个重要的广场，这两地无架空接触线。为此，阿尔斯通公司在 Citadis 车辆上装载了 DC 540 V ， 200 kW 的 SAFTNiMH 蓄电池组。 该蓄电池能以 80 Ah 供电 27 kWh ，蓄电池供给的电能不仅提供给车辆运行， 还能给车上的空调设备等使用。 劳尔公司为意大利帕多瓦设计的Translohr 胶轮导轨式有轨电车， 要经过著名的河谷草地广场。劳尔公司也是通过在车上装载蓄电池的方式，在广场段线路消除了架空接触网的影响，如图 7 所示。我国天津滨海和上海张江有轨电车线路采用的就是劳尔公司的 Translohr 胶轮导轨式有轨电车。

蓄电池供电安全、稳定、环保，且不用另外加设其他供电设施，但电池容量小，需要长时间的充电，寿命短，一般寿命为 5 年左右，因此适合在旅游景区等不希望出现架空接触网的地段短距离使用。目前，我国南京麒麟和河西两个有轨电车线路计划采用两组蓄电池供电的有轨电车。 如图 8 为南京河西有轨电车示意图。

结束语

在当前的现代有轨电车供电方式中，接触网供电因其简单可靠的技术和较低的成本，仍然处于主要的地位。但为了城市的美观和空间的节省，新型无接触网供电技术是未来有轨电车的主要发展趋势，特别是车载储能供电技术，有着远大的前景。随着车载供电装置技术的不断发展，特别是车载储能装置的性能更完善及无线充放电等技术更加成熟时，车载储能供电的有轨电车将会得到更加广泛的应用。但在考虑到经济效应的前提下，要大规模、长距离甚至完全依靠无接触网的技术，还有很多的工作要做，很多的问题需要解决。