城市轨道交通供电系统节能技术研究

引言：随着城市轨道交通的快速发展，供电系统能耗问题日益凸显。中国城市轨道交通协会年报发布的数据显示，2021 年我国范围内城市轨道交通的能耗为 213.1 亿 kWh，同比增长率超 23.6%。降低供电系统能耗，不仅能节约运营成本，还符合绿色发展理念。对城市轨道交通供电系统节能技术展开研究，具有重要的现实意义和应用价值，有助于推动行业节能工作的开展。

1. 城市轨道交通供电系统概述

1.1 系统组成

城市轨道交通供电系统是一个复杂而又至关重要的系统，主要由外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明供电系统等部分组成。外部电源为整个供电系统提供电能来源，其接入方式包括集中式供电、分散式供电和混合式供电等。主变电所负责将外部电源的高压电降压为适用于轨道交通系统的中压电。牵引供电系统是为列车运行提供电能的核心部分，它包含牵引变电所和接触网（或第三轨），牵引变电所将中压电转换为列车所需的直流电压，通过接触网或第三轨传输给列车。动力照明供电系统则主要为车站、区间隧道、车辆段等场所的动力设备（如电梯、通风机等）和照明设备供电。各部分之间相互协作、紧密联系，共同保障城市轨道交通系统的正常运行。在我国，随着城市轨道交通的大规模建设和发展，供电系统的规模和复杂度也在不断增加，不同城市根据自身的地理环境、规划布局以及运营需求等因素，对供电系统的各组成部分进行合理设计和配置。

1.2 能耗现状

城市轨道交通的能耗在城市总能耗中占有相当的比例。其中，牵引系统的能耗大约占线路总能耗的 50% ，牵引能耗与列车的运行密度、运行速度、车辆类型等因素密切相关。在我国的一些大城市，城市轨道交通网络庞大，列车运行频繁，列车牵引能耗巨大。例如，在高峰时段，大量列车同时运行，对电能的需求极高。

除了牵引能耗，城市轨道交通车站基础设备耗能也不容忽视。车站内的照明系统、通风空调系统、自动扶梯等设备需要长时间运行，这些设备的能耗总和相当可观。而且，不同季节、不同时间段，能耗情况也有所不同。夏季由于空调系统的高负荷运行，车站动力照明供电系统的能耗会显著增加；而冬季通风系统的能耗则相对较为稳定，但照明能耗依然持续存在。此外，供电系统自身在电能传输、转换过程中也存在一定的能量损耗，如变压器的损耗、电缆的损耗等。随着城市轨道交通的不断发展，如何降低供电系统的能耗成为亟待解决的重要问题。

2. 节能技术原理与分类

2.1 再生制动节能

再生制动节能技术是城市轨道交通供电系统中一项非常重要的节能技术。其原理基于电机的可逆性，当列车制动时，牵引电机由电动机状态转变为发电机状态。此时，列车的动能转化为电能，通过牵引变流器反馈回供电系统。在我国的城市轨道交通建设中，再生制动节能技术得到了广泛的应用。例如，在一些新建的地铁线路中，列车采用先进的牵引控制系统，能够有效地实现再生制动能量的回收。这种回收的电能可以被同一供电区间内其他正在加速启动或者处于牵引状态的列车所利用，从而减少从外部电源获取的电能。然而，再生制动能量的回收和利用也面临一些挑战。一方面，再生制动能量的品质和稳定性受到列车运行状态、线路条件等多种因素的影响；另一方面，供电系统需要具备相应的设备和技术来接收、处理和分配再生制动能量，例如，需要采用合适的储能装置或者能量管理系统来提高再生制动能量的利用率。

2.2 智能控制节能

智能控制节能技术是利用先进的信息技术和控制技术来实现供电系统的节能。其核心是通过智能控制系统对供电系统中的各种设备进行实时监测和优化控制。在我国城市轨道交通供电系统中，智能控制节能技术有着多方面的体现。智能控制系统可以根据列车的运行时刻表、客流量等信息，精确地控制牵引供电系统的输出功率。例如，在客流量较少的时段，可以适当降低列车的牵引功率，减少电能消耗。同时，智能控制系统还可以对车站动力照明设备进行智能控制。对于照明系统，可以根据车站内的光照强度、人员流动情况等自动调整照明亮度，避免不必要的能源浪费。对于通风空调系统，智能控制系统可以根据室内外温度、湿度等环境参数，合理调节通风量和制冷（热）量，提高能源利用效率。此外，智能控制节能技术还可以对供电系统中的变压器、开关设备等进行优化控制，降低设备自身的损耗，延长设备使用寿命，进一步提高整个供电系统的节能效果。

2.3 绿色能源替代

绿色能源替代主要是从能源使用的角度实现城市轨道交通系统节能减排目标，如结合城市轨道交通线网分布和线路具体情况制定相应的光伏能源开发计划，车辆段设计中，可以考虑使用大面积的厂房屋顶设置为光伏阵列电站，直接并入车辆段电网；电气设计还可以考虑光伏电池和设备以及建筑光伏一体化设计，精心规划光伏发电系统，构建涵盖光伏发电、储能技术、直流配电、柔性用电的综合能源系统，形成“光储直柔”一体化解决方案，也是城市轨道交通绿色低碳建造的一个可行性方案。

3. 节能技术应用策略

3.1 设备选型优化

设备选型优化是城市轨道交通供电系统节能的重要策略之一。在我国的城市轨道交通建设和运营中，设备选型需要综合考虑多个因素。对于变压器的选型，要选择具有低损耗特性的变压器。例如，采用新型的非晶合金变压器，其铁芯采用非晶合金材料，与传统的硅钢片铁芯变压器相比，具有更低的铁损，能够在长期运行中显著降低电能损耗。在电缆选型方面，要根据线路的负载电流、传输距离等因素，选择合适截面的电缆。较大截面的电缆虽然初始投资成本较高，但可以降低电缆的电阻，减少电能在传输过程中的损耗。此外，对于牵引供电系统中的牵引变流器、接触网（或第三轨）等设备，也要选择具有高效能、低损耗的产品。车辆采用永磁同步牵引技术、高频辅助逆变技术、轻量化技术、客室智能照明技术和变频空调等。在设备选型过程中，不仅要考虑设备的节能性能，还要考虑设备的可靠性、兼容性等因素，以确保整个系统的稳定运行。同时，还要关注设备的全生命周期成本，包括设备的采购成本、安装成本、运行维护成本以及最终的报废成本等，通过综合权衡，选择最适合的设备，实现节能与经济效益的最佳平衡。

3.2 运行模式调整

运行模式调整对于城市轨道交通供电系统节能具有重要意义。在列车运行方面，可以根据不同时段的客流量调整列车的运行间隔。在我国的一些城市，如北京、上海等，早高峰和晚高峰时段客流量巨大，为了满足乘客的出行需求，列车运行间隔较短；而在平峰时段，客流量相对较少，此时可以适当延长列车运行间隔，从而减少列车的牵引能耗。此外，还可以调整列车的运行速度。在保证运营安全和乘客舒适度的前提下，适当降低列车在非关键路段的运行速度，可以减少电能消耗。对于车站动力照明设备的运行模式，也可以进行调整。例如，在车站客流量较少的时段，可以关闭部分自动扶梯或者将其调整为节能运行模式；对于车站照明系统，可以采用分区控制的方式，根据不同区域的人员活动情况，调整照明亮度或者关闭部分照明灯具。通过这些运行模式的调整，可以在不影响城市轨道交通正常运营的前提下，有效地降低供电系统的能耗。

3.3 管理措施完善

完善管理措施是城市轨道交通供电系统节能的必要手段。在我国的城市轨道交通运营管理中，首先要建立健全的能源管理体系。这包括制定明确的能源管理目标、建立能源监测和统计制度等。通过能源监测系统，可以实时获取供电系统各部分的能耗数据，如列车牵引能耗、车站动力照明能耗等，对这些数据进行详细的统计和分析，找出节能潜力点。其次，要加强人员的节能培训。运营人员对于供电系统的操作和管理直接影响着能耗水平，通过节能培训，使运营人员熟悉各种节能技术和设备的操作方法，提高他们的节能意识。此外，还要加强设备的维护管理。定期对供电系统中的设备进行维护保养，确保设备处于最佳运行状态，减少因设备故障或老化导致的能源浪费。

结束语：城市轨道交通供电系统节能技术研究是一项长期且重要的工作。通过对现有节能技术的应用和未来发展趋势的把握，不断优化供电系统节能方案，能有效降低能耗，提升城市轨道交通的整体效益，为城市绿色交通发展提供有力支撑。

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