高义洋
（中铁电气化局集团有限公司设计研究院，北京 100036）
摘 要：现代有轨电车绿色环保、便捷舒适、投资较少、审批简便，受到国内各级城市的青睐。无接触网技术在现代有轨电车的应用，解决了有轨电车接触网对城市景观的“视觉污染”。无接触网供电方式种类较多，且各自的技术特点不尽相同。结合武汉光谷现代有轨电车线路特点，通过对地面供电技术和各种车载储能供电技术进行综合比较分析。提出车载储能式牵引供电技术为武汉光谷现代有轨电车无接触网供电方式的选择，其经验可为同类城市借鉴。
关键词：有轨电车；无触网供电；地面供电技术；车载储能供电
武汉光谷规划9条有轨电车线路，总里程168km，目前在建的T1、T2线全长35km。其中T1线工程线路全长16.803km。全线共设车站23座。T2线工程线路全长19.192km，共设车站25座。车辆采用车载超级电容储能供电方式，车辆基地和部分车站设置充电装置为超级电容充电。
与汽车相比，轻轨、高架独轨、地铁、现代有轨电车均具有运输量大、低能耗、无排放的优点。与地铁、高架独轨、轻轨相比，现代有轨电车工程造价低、建设周期短、占地灵活、铺设简单。同时，现代有轨电车还有易升级的优点，当有升级需求时，投入少量的资金即可将现代有轨电车升级为大运量的轻轨、地铁公交系统，综合经济性很高。由于这些优点的存在，这种中低运量的交通工具在中长期将是国内轨道交通的发展方向。
牵引供电系统为现代有轨电车提供电源，是一个重要的基础设施系统。有必要根据城市景观的要求选择适合线路特性和行车方案的牵引供电方式，这是现代有轨电车项目前期研究的初步工作。为进一步提升城市景观的融合，其供电方式从接触网向无接触网逐步发展的趋势。然而，由于世界上存在许多类型的无接触网供电方案，并且差异很大，因此对当前供电方案的特点和比较优势进行分析如下。
长久以来，列车供电方式的首选便是接触网供电，但随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始反对在城市中设置接触网。尤其是在一些著名的文物保护区、繁华的商业区，接触网遭到了抵制和反对。由于接触网供电存在的视觉污染，无网供电技术一直是人类所追求的目标。欧洲对此进行了长久的研究和探索，也曾发明过很多新颖的方法，但都没有得到实用。2016年12月16日，在黄陂，武汉中车长客轨道车辆有限公司，首列“光谷量子号”有轨电车正式下线，用于T1、T2示范线。这也意味着，全球首创无接触网能量型超级电容储能供电有轨电车实现汉产化，将带动全国现代有轨电车行业在供电技术上的革命性进步。
无接触网供电方案能适应现代城市对景观和安全的要求，有轨电车将美丽的外观融入城市道路景观，创造一个美丽的动态城市景观。
当前，各大轨道交通集团都竞相开发出自己特色的无网供电技术，但无论何种技术皆可将其归为两类：①采用分段地面供电；②采用储能装置供电。下面对这两类技术特征及发展情况进行介绍。
2.1 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特（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。
2.2 储能装置供电系统
在最早的轨道交通去接触网研究中，曾使用过多种储能装置，例如飞轮、超导、超级电容、蓄电池等。当前，基于超级电容和蓄电池的储能装置是现代有轨电车中使用最广泛的。
（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。
武汉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）。
（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。
图1 超级电容供电示意图
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）。
综上所述，武汉光谷现代有轨电车使用储能式牵引供电系统，能够满足现代城市对节能环保及改善城市景观的需求，是实现无架空接触网的重要技术之一。
通过对现代有轨电车的各种无接触网供电方案的分析和比较，每种都有自己的优点和缺点。因此，选择供电方案必须结合项目的实际情况和综合选择指标。从现代有轨电车系统的整体效益来看，无架空接触网车载储能式牵引供电技术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技术的发展方向。
表1 无触网供电方式分析表
供电指标地面供电储能装置供电Tramwave供电系统 APS系统 Primove系统 超级电容 蓄电池供货商 安萨尔多 阿尔斯通 庞巴迪 西门子及CAF 阿尔斯通城市景观效果 好 好 好 好 好工程实例 那不勒斯、珠海 法国奥尔良、波尔多、兰斯 奥格斯堡试验线 德国曼海姆、西班牙塞维利亚、广州海珠环岛 尼斯技术成熟性 比较成熟 相当成熟 较为成熟 比较成熟 一般工程实施难度 模块化 模块化 预制 无土建 无土建国产化进度 2012年中车集团大连厂 中车集团浦镇厂与庞巴迪进行合作研发运营维护 困难 困难 困难 容易 困难造价 490万元/km 574万元/km 595万/km 1898万元/列 2100万元/列技术引进该技术 无 无 2012年中车集团株洲机厂技术引进该技术优点 技术新颖，安全可靠 技术成熟、供电可靠 无接触网供电、无磨耗 功能密度大、寿命长 续航能力强、充放电时间长缺点 磨耗、运营维护量大 磨耗和积水预防 多级能量传输、效率较低 充放电时间段 寿命较短
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).
[3]张海军,马永红.现代有轨电车无接触网供电方案比较分析[J].现代交通技术,2013,(8).
[4]何治新.现代有轨电车牵引供电方式选择[J].城市轨道交通研究,2013,(7).
[5]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).
中图分类号：U482.1
文献标志码：A
文章编号：2096-2789（2017）02-0135-02
作者简介：高义洋（1978-），男，工程师，研究方向：铁路电力及铁道电气化设计与研究。
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