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摘要：现代有轨电车的牵引供电方式一般采用DC 750V架空接触网供电制式。该供电方式系统成熟，结构简单，投资成本低，具有丰富的设计、建设和运营维护经验。但是，架空接触网在非封闭式的营运环境中所带来的景观和安全问题也不容忽视，特别是在交叉路口和对景观特别敏感的区域。为了适应现代城市对景观和安全的要求，阿尔斯通、庞巴迪、西门子、卡佛、安萨尔多等主要的有轨电车系统供应商都在积极进行无架空接触网系统的研究与实践。本文从牵引供电的基本功能出发，系统分析现代有轨电车无架空接触网解决方案，旨在促进现代有轨电车的快速发展。
关键词：现代有轨电车；无接触网；牵引供电方式；分析
1 无接触网供电系统简介
1.1 分段地面供电系统
（1）Tramwave 供电系统
Tramwave 地面供电技术是安萨尔多STS 公司的先进专利技术，是一种创新的供电方法，模块化设计理念，适合于各种不同的结构及管理规划需求。意大利安塞尔多公司的Tramwave 技术是从其运用于公交车的Stream 系统转化而来。意大利人从1994 年开始研发Stream 系统，1998 年在意大利的里雅斯（Trieste）一条3.3km 的公交车上得到了商业运营。系统由车载受流器与埋于轨道中的供电装置构成，两者通过磁相互作用，使车辆通过一段轨道，轨道和电源接通。当车离开轨道时，轨道连接到安全负极，以确保没有车时的供电安全。Tramwave 在公交车中得到了应用，但在有轨电车的运用成熟度仍有待实际情况进一步的检验。安萨尔多Tramwave 系统在意大利那不勒斯有轨电车得到了应用。
（2）APS 供电系统
APS 系统是由阿尔斯通开发的无接触网供电方案，其基本原理是在走道中间铺设两个电源轨来替代架空接触线供电，同时车辆在底部带有接收靴，当接收靴通过汽车信号与导电轨接触触摸打开机柜时，开始与导电轨道部分的电源接触，车辆在断电后，始终将车辆保持在导电部分，其余部分由绝缘轨道隔开，以确保电源的安全。此外，车上配备了9kW·h 蓄电池组，以保证车辆通过绝缘地段时车辆仍可以持续供电。现代有轨电车属于路面交通，且部分地段与行人共享路权，分段第三轨供电保证了供电的安全性。这种供电方式在开通初期曾受到雨水的影响，此外，集电靴与导电轨之间的磨耗问题也较为严重，阿尔斯通后来采用了一系列措施来改善这两个问题，从目前的运营来看，除造价和运营成本较高之外，技术已较为成熟。阿尔斯通APS 系统在法国奥尔良、波尔多、兰斯等城市得到了应用。
（3）PRIMOVE 电磁感应供电技术
庞巴迪公司推出的Primove 技术采用无线感应供电方式，在轨道中分段铺设逆变器，将轨道供电电缆750V 的直流电逆变为400V/20Hz 的交流电；轨道中铺设的初级感应线圈通过不超过70mm 的气隙在次级感应交流约400V，然后转换成直流600V，供电牵引系统。尽管无线传输的效率能做到90% 以上，但由于能量经过了DC/AC、交流感应、AC/DC 等多个环节，因此其系统效率较一般牵引系统低，整个系统的效率约为50%～60% 左右。其最大的优点在于一次侧与二次侧实现了物理分离，不会有APS 和Tramwave 存在的磨耗问题。
1.2 储能装置供电系统
（1）超级电容
超级电容储能方案是以高能超级电容作为储能元件，为牵引及辅助系统提供电力供应，满足无接触网运营要求，制动的能量全部反馈到储能设备。车辆利用站停时间充电，采用调压恒流充电。超级电容容量及性能须满足全线最大站间距、最大坡度及各区段爬坡要求，满足本线6 个交路的正常运营。超级电容容量设计应具有足够的续航能力。当线路上任一充电桩出现故障时，不影响列车正常运行。中车长客轨道车辆有限公司生产的“光谷量子号”超级电容有轨电车，全线均不设接触网，以高能超级电容作为储能元件，为牵引及辅助系统提供电力供应，满足无接触网运营要求，制动的能量全部反馈到储能设备。车辆利用站停时间充电，采用调压恒流充电。“光谷量子号”自带超能电容供电技术，即：能量型超级电容。供电技术对于有轨电车而言，就像汽车的发动机。超能电容供电强劲，就会驱使列车行驶更加快速有力。超能电容，实质是电化学的深度开发应用，是一种介于传统电容器与电池之间具有特殊储存电能的当代最前沿的科技产品。整车储存能量47.6kW·h 电。以超能电容作为储能元件，为牵引及辅助系统提供电力供应，满足无接触网运营要求；车辆在超员载荷工况下，一次充电可运行10km 以上，最高运行时速可达70km。超级电容供电示意图（见图1）。
图1 超级电容供电示意图
（2）蓄电池供电
蓄电池电源的原理基本上与超级电容器的原理相同。阿尔斯通在尼斯2007 年12 月开通了一条线路。当线路穿过两个重要的广场（每年的狂欢节），没有必要设接触网。通过阿尔斯通公司开发的电池组储能解决方案，即在每列火车上用540VDC，200kW SAFT 镍氢电池，至80Ah 电源27kW·h。列车在没有接触网和接触网的情况下交替时，需停车进行动力切换，对于广场的两端都配有车辆停靠站，线路的另一端有一个电池充电柜，对电池组深度充电，以确保电池组具有足够的容量支撑列车电池组牵引时的电源动力。
2 各无触网供电方案比较分析
通过对各种无触网供电方式技术特征的分析，得知对于整条线路设置在城市线的市中心，为了满足城市景观的要求，牵引供电系统选择储能牵引供电方式更为合适。关于无触网供电方式技术特征的分析（见表1）。
表1 无触网供电方式分析表
3 结束语
综上所述，实现无架空接触网牵引供电是现代有轨电车可持续发展的现实需求，是有轨电车牵引供电的发展方向。与蓄电池相比，超级电容更加适应列车频繁牵引与制动的运行特征，是车载储能介质选择的方向。采用超级电容和蓄电池混合式存储单元，能够发挥各自高功率密度和高能量密度的优点，是车载储能介质进一步研究的方向之一。
参考文献：
[1] 蔡波，李鲲鹏. 现代有轨电车无接触网牵引供电方式研［J].城市轨道交通研究，2015，（1）.
[2] 王健全，袁富卫. 城市有轨电车供电方式探讨[J]. 电力机车与城轨车辆，2015，（1）.
论文作者:杨冠雄
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第31期
论文发表时间:2019/9/11
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