轨道列车紧急自牵引方案研讨
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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。