城市轨道交通柔性直流牵引供电系统

一、所属领域

城市轨道交通、牵引供电、节碳增效、柔性直流

二、项目介绍

1. 痛点问题

城轨交通是城市最大耗电行业之一，截止2020年底全国有45个城市开通了城轨交通线路244条，线路总长度7969.7公里,年耗电量172.4亿千瓦时，其中牵引能耗占比高，达到84亿千瓦时。为了实现城轨交通行业碳达峰、碳中和的目标，必须从现有的城轨牵引供电系统给出解决方案，以应对城轨交通面临的行车密度大、节能减碳任务重、供电可靠性要求高等诸多挑战。

城轨牵引供电系统的核心装备是连接城市交流配电网与城轨直流牵引网的“交流-直流”电力电子变流器及其运行控制系统。目前国内外仍主要采用基于二极管整流机组变流器和以运行状态静态监视为主的电力监控。这种传统技术方案因缺乏管控能力对城市配电网依赖性强，存在外电源布点密集和选址困难问题，而外电源建设导致一次性投资剧增（7000~10000万元/个），并且会占用大量城市用地和空间；因为列车频繁启停冲击导致配电网和牵引系统设备利用率低，存在依靠高成本的过度裕量来换取系统安全可靠运行问题；因为缺少对系统能效的主动调度控制、牵引供电电压波动剧烈、牵引网能量粗放式分布，导致列车再生制动能量无法在牵引系统内部高比例利用、大规模光伏接入和消纳困难，存在牵引供电系统内部降耗减碳困难问题。

2. 解决方案

基于全控型双向变流器和智能协同控制的柔性直流新一代牵引供电技术，具有灵活调控牵引供电系统能量、主动响应城市配电网需求的能力，从根本上改变牵引供电系统运行机制，为系统性解决牵引供电系统痼疾、牵引供电系统和城市配电网互联互动提供了基础和平台。

柔性直流牵引供电系统示意图

3. 竞争优势分析

在国外，日本明电舍公司、法国阿尔斯通公司已经在9个国家的10余个系统中应用，但仅采用了定电压或者下垂的简单控制方式，并未采用智能协同控制技术，尚无法实现减少外电源数量、提高设备利用率、提高减碳水平等综合优化。

在国内，江苏晨大电气在宁波线地铁2号线完成双向变流器设备功能试验，但因只有1个牵引所，并未真正构成柔性直流牵引供电系统。

本技术的优势主要包括：

（1）优化外电源配置：提高外电源使用效率，外电源数量减少30%~50%；降低对外电源选址的严苛要求，外电源与牵引所距离可从1~2km延长至3~4km；

（2）提高节能减碳水平：总耗电量减少10%~20%；取消笨重的车载制动电阻，有助于列车轻量化，降低列车运行损耗和地下通道环控成本；实现多个停车场/车辆段5~7MW光伏的分布式接入和高比例消纳；

（3）提升供电能力和安全可靠性：提高列车供电质量，牵引网网压从500V~900V提升至650V~900V；对于外电源N-2故障、牵引所N-2故障，在保持行车密度不变前提下，实现列车不间断供电。

4. 市场应用前景

柔性直流牵引供电系统具有广阔的市场前景。在北京可以直接解决：对于已经运营的线路，由于外电源缺失造成的供电系统能力不满足设计要求的现状（如北京地铁6号线、16号线、19号线等等），对于新建设的线路，外电源数量的优化（如北京3号线、28号线等等）；进一步推广至上海、深圳、广州、成都、天津、重庆、杭州等63个城市5685公里的新建线路及1000余公里改造线路。同时，建立产业规范和体系，将带动产业发展，并助力轨道交通产业走向国际化市场，为后续乃至在全球的运用打下坚实的基础，未来的市场份额超千亿。

5. 发展规划

本技术目前正在开展北京地铁13A线示范应用工作，推动轨道交通产业规范和体系发展，未来有望在北京新建和既有线路改造中应用，进一步在国内国际其他城市新建和既有线路改造中应用。

6. 知识产权情况

获中国发明专利授权。

三、合作需求

合作方应该具备电气设备产业化生产和检测能力，有相关技术开发、市场推广经验，应具备城市轨道交通对投标单位所要求的相关资质，提供充足的资金和场地。希望合作方能推广本技术落地，引领国内轨道交通柔性供电行业的发展。

合作方式：技术许可或部分转让。

四、团队介绍

本项目由清华大学电机系交直流互联电网态势感知与装备技术团队完成。团队聚焦新型的交直流电网，基于广域量测信息、态势感知和智能控制、先进电力电子技术等，研究提升其安全稳定性、经济高效性和智能化水平的基础理论、核心方法和关键装备。研究方向包括：高比例新能源、高比例电力电子接入的电力系统态势感知与智能控制技术；柔性交直流输电及直流电网技术；新一代轨道交通柔性牵引供电和能量管理技术；交直流电网多层多尺度实时/超实时仿真技术。近五年，相关科研成果获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项。2020年被评为电机系优秀团队。

团队由韩英铎院士创建，目前陆超教授为负责人，成员包括谢小荣教授、刘文华研究员、宋强副教授、于庆广副教授、袁志昌副研究员、魏应冬副研究员、张树卿副研究员与李笑倩助理研究员。

五、联系方式

E-mail：[email protected]

成果编号：2022044

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