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高速磁浮交通牵引供电与控制技术现状及展望

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葛琼璇 ¹^,²^,^† , 张波 ¹^,² , 韦榕 ¹^,² , 朱进权 ¹

前瞻科技 | 综述与述评 2023,2(4): 89-95

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前瞻科技 | 综述与述评 2023, 2(4): 89-95

高速磁浮交通牵引供电与控制技术现状及展望

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葛琼璇¹^,²^,^†, 张波¹^,², 韦榕¹^,², 朱进权¹

作者信息

1.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室（中国科学院电工研究所），北京 100190

2.中国科学院大学，北京 100049

葛琼璇，研究员，博士研究生导师。主要从事高速磁浮列车牵引供电技术、高压大功率变流技术及高性能电机牵引传动控制技术研究。电子信箱：gqx@mail.iee.ac.cn。

通信作者:

^†

Present Situation and Prospect of Traction Power Supply and Control Technologies for High-speed Maglev Transportation

Qiongxuan GE¹^,²^,^†, Bo ZHANG¹^,², Rong WEI¹^,², Jinquan ZHU¹

Affiliations

1. Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

出版时间: 2023-12-20 doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2023.04.009

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摘要

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牵引系统是高速磁浮列车的动力来源。牵引供电与控制系统的性能影响列车的最高运行速度、运行平稳性和舒适性。文章系统梳理了高速磁浮交通牵引供电与控制技术的国内外发展历程和最新研究进展，对比分析了目前技术较成熟的德国常导高速磁浮、日本超导高速磁浮和中国常导磁浮交通牵引供电与控制特点。面对600 km/h速度级常导高速磁浮列车运行需求，深入研究牵引供电与控制系统如何提供更大、更稳定的牵引力和制动力，提高牵引供电效率；攻克车辆长期服役平稳性和舒适性对多端口大功率牵引系统控制的挑战；攻克全生命周期健康状态智能感知与可靠性提升等关键问题，实现全速度范围能效提升。建议依托上海高速磁浮商业运营示范线改造升级，突破牵引系统工程化设计制造与智能运维等技术，构建中国自主可控的牵引系统试验平台，提供牵引供电与控制技术的中国方案。

关键词

高速磁浮交通牵引系统 / 牵引供电 / 能效提升 / 牵引控制 / 大功率变流器

Abstract

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The traction system is the power source of high-speed maglev trains, and the performance of the traction power supply and control system affects the maximum speed, stability, and comfort of the train. This article systematically reviews the development history and latest research progress of traction power supply and control technologies for high-speed maglev transportation in China and abroad. In addition, the characteristics of mature traction power supply and control technologies such as German electromagnetic suspension (EMS) maglev, Japanese superconducting maglev, and Chinese EMS maglev transportation are analyzed. To meet the operation requirements of 600 km/h EMS high-speed maglev trains, it is necessary to conduct in-depth research on how to make the traction power supply and control system provide greater and more stable traction and braking force and improve the efficiency of traction power supply. Efforts should be concentrated on tackling challenges of long-term vehicle stability and comfort to multi-port and high-power traction system control and key issues such as intelligent perception and reliability improvement of health status throughout the entire lifecycle, so as to achieve full-speed range energy efficiency improvement. It is recommended to rely on the renovation and upgrading of the Shanghai Maglev Train Demonstration Operation Line, break through the engineering design, manufacturing, and intelligent operation and maintenance technologies of the traction system, and build a Chinese independent and controllable traction system test platform, providing Chinese solutions for traction power supply and control technologies.

Key words

high-speed maglev transportation traction system / traction power supply / energy efficiency improvement / traction control / high-power converter

引用本文

葛琼璇, 张波, 韦榕, 朱进权. 高速磁浮交通牵引供电与控制技术现状及展望. 前瞻科技, 2023 , 2 (4) : 89 -95 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2023.04.009

Qiongxuan GE, Bo ZHANG, Rong WEI, Jinquan ZHU. Present Situation and Prospect of Traction Power Supply and Control Technologies for High-speed Maglev Transportation[J]. Science and Technology Foresight, 2023 , 2 (4) : 89 -95 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2023.04.009

正文

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高速磁浮交通系统主要包含磁浮车辆、线路轨道、牵引供电和运行控制四大子系统。牵引供电系统是磁浮列车的动力来源。牵引供电与控制技术是高速磁浮列车运行性能提升的关键技术之一^[1]。

高速磁浮交通牵引供电与控制系统主要包括供电系统、牵引系统、轨旁设备。其中，供电系统主要由主变压器、谐波滤波装置、无功补偿装置和高压开关装置等组成。轨旁设备主要包含轨旁变电所、轨旁开关站、轨旁馈电电缆和动力轨等^[2]。供电系统和轨旁设备主要基于常规电力和电工技术。牵引系统核心设备则是由多端口大功率牵引变流系统、分布式牵引控制系统和长定子直线电机^[3]这3部分组成。

高速磁浮交通牵引系统的工作原理是牵引控制系统精准调节地面牵引变流系统的输出电压和电流，对磁浮列车所在的长定子直线电机定子段供电，从而实现对磁浮列车牵引力、制动力和法向力的有效控制，完成启动、恒速运行、惰行及制动停车等各种运行要求，使磁浮列车严格按照设定的速度曲线安全、稳定和高效地运行。典型的高速磁浮交通牵引供电与控制技术基本原理类似：均采用长定子直线同步电机牵引、大功率牵引变流系统变频供电和分布式牵引控制系统远程实时牵引控制。地面供电：不存在弓网约束问题，分段供电，降低损耗；分区供电：根据线路状况和运行发车间隔，整个线路划分为数个长度不同的牵引供电分区，每个牵引分区只能运行一列车^[4⇓-6]。

牵引供电与控制技术成熟度较高的磁浮交通系统主要有德国常导高速磁浮交通和日本超导高速磁浮交通。文章结合国内外发展现状，重点阐述多端口大功率牵引供电系统和分布式控制系统的关键技术，并提出中国自主高速磁浮交通牵引供电与控制技术的发展建议。

1 国外高速磁浮交通牵引供电与控制技术发展现状

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1.1 德国常导高速磁浮交通牵引供电与控制技术

2002年中国引进德国设备，建成世界首条商业化运营高速磁浮线——上海磁浮列车示范运营线（简称上海磁浮线）。上海磁浮线所采用的牵引控制系统与供电系统由德国西门子公司研发制造，其核心的高功率牵引变流单元的功率器件、拓扑结构功能与德国埃姆斯兰高速磁浮试验线变流器相似^[7]。

1）牵引供电技术

上海磁浮线牵引供电系统整体线路为复线布置，可实现列车的对向交会运行。为提高磁浮交通系统牵引性能，主线区间采用两个高功率变流器双端并联供电的形式。

高功率变流器由输入变压器、整流器、直流支撑单元、斩波器、逆变器和输出变压器等构成。采用两台移相变压器，对电网高压进行降压，通过整流器使交流电变为直流电。一组整流单元由一台三相二极管整流器和一台三相晶闸管整流器串联构成。直流支撑单元主要用于整流侧和逆变侧的能量交换，主要由直流电容和电阻构成。逆变器将直流电变为频率和电压可调的交流电。经输出变压器将电能供给长定子直线电机，满足磁浮列车运行需求。上海磁浮线牵引系统逆变单元采用三电平二极管中点箝位拓扑，采用的开关器件为门极可关断晶闸管，该器件目前面临停产停供。

高速磁浮牵引变流器采用大功率开关器件，具有输出电流大、开关频率低、输出基频高的特点。低载波比下的宽频输出脉宽调制方法是高速磁浮变流器的关键技术之一。

2）牵引控制技术

当列车运行时，运行控制系统向牵引控制系统发出路程-速度曲线指令。牵引供电系统据此对变流系统输出电压和电流的幅值、频率与相位进行实时调节，使磁浮列车严格按照设定的路程-速度曲线运行。

牵引控制系统位于地面牵引变电站，主要用于牵引系统的闭环控制、开环控制与状态监控。牵引控制系统由牵引电机控制系统、变流器控制系统、人机界面系统和数据传输系统等组成。牵引电机控制系统完成牵引系统的总体控制，主要控制直线电机的速度和加速度等参数；变流器控制系统接受牵引电机控制系统的控制命令，控制变流器的输出电压、电流和频率等。各电机控制系统之间、电机控制系统与变流器控制系统之间均通过德国光纤传输专用OTN（Optical Transport Network）网络传输数据。

上海磁浮线牵引控制系统采用西门子公司基于专用并行总线Simadyn D系统架构，通信传输网络采用专用的双环网络，系统封闭，不对外开放。

1.2 日本超导高速磁浮交通牵引供电与控制技术

1）牵引供电技术

日本山梨磁浮试验线牵引系统由南线和北线两个牵引系统组成。当列车靠近南线时，由南线独立供电；当列车靠近北线时，由北线独立供电^[8]。

由于不同段内列车运行参数设置不同，两站的变流系统也不同。北线变流站容量大于南线变流站容量。北线变电站整流侧采用能量不能回馈的两象限晶闸管整流方案；南线变电站整流侧采用三相可控整流器拓扑结构^[9]。南线北线均配有制动电阻。日本山梨磁浮试验线制动能量没有实现完全回收利用。

日本超导高速磁浮牵引供电逆变器采用级联H桥拓扑。低速时，采用两个半桥并联工作模式满足磁浮列车对逆变器大电流的输出需求；高速时，采用多个全桥级联工作模式满足磁浮列车对逆变器高电压的需求。级联H桥结构变流器通过多个功率单元串联可以获得高电压输出，但变流器功率密度低且占地面积大，各单元模块存在电压均衡和工作模式的可靠切换及控制等问题。

2）牵引控制技术

日本超导高速磁浮列车的控制系统的总体结构与德国常导高速磁浮控制系统类似，主要包括交通控制系统、牵引控制系统和安全控制系统3个部分，其中牵引控制系统包括集中控制子系统、沿线路分散的控制子系统和车上控制子系统。

集中控制子系统即控制中心，控制和监视整个线路及运行设备。沿线路分散的控制子系统分段与变电站的供电区段一致，用于控制和监测相应供电区段的线路和磁浮车运行情况。分散控制子系统由控制中心控制，实现与列车的控制子系统之间的通信。

日本超导高速磁浮牵引控制系统也是封闭不对外开放的，鲜有文献对其进行报道。

2 国内高速磁浮交通牵引供电与控制技术发展现状

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2001年，科技部设立“十五”国家高技术研究发展计划“高速磁浮交通技术研究”重大专项，开启高速磁浮交通系统技术国产化与创新研究。“十一五”至“十三五”期间，科技部对高速磁浮交通系统的关键技术与装备研制等进行持续支持。经过4个“五年计划”的研究，中国在高速磁浮牵引供电与控制技术方面取得一系列重要创新性成果。中国科学院电工研究所是国内首个对常导高速磁浮交通牵引供电与控制系统进行全面研究的单位，在“十五”期间突破大功率牵引变流器关键技术，首次成功研制基于集成门极换流晶闸管（Intergrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT）器件的三电平二极管中点箝位5 MV⋅A牵引变流器；并在“十一五”期间继续攻关，突破实时多任务分布式牵引控制硬件平台及高速磁浮交通牵引控制关键技术，成功研制出基于VME（Versa Module Eurocard）总线的牵引控制系统，并将5 MV⋅A牵引变流器全面升级，研制制动能量可回收利用的四象限15 MV⋅A牵引变流器；在“十二五”期间，针对长大干线牵引控制系统的关键技术开展研究，研制多分区牵引控制系统；在“十三五”期间，再次创新突破研制基于有源中点箝位拓扑结构的24 MV⋅A牵引变流器（图1）和基于VME总线+高速串行总线的多CPU（Central Processing Unit）多任务实时分布式控制系统（图2），在变流器单机容量、功率密度和控制系统平台实时性等多个单项指标超越了引进的德国技术。在“十三五”期间，株洲中车时代电气股份有限公司研制了高速磁浮牵引供电输入输出变压器和输入输出开关柜等设备（图3），研发了基于国产IGCT器件的三电平二极管中点箝位变流器。中国高速磁浮交通牵引供电与控制技术的最新进展如下。

2.1 新型制动能量可回收利用的大功率四象限背靠背结构变流系统

（1）高速磁浮牵引变流器采用可以四象限运行的电路结构，可将列车制动产生的能量回馈至电网，克服德国两象限电路结构无法实现能量回馈、只能能耗制动的缺点。由于制动能量可回馈、

取消制动电阻及其斩波控制器，可大幅节约电能和成本，提高能量利用效率。

（2）牵引变流器单机容量达24 MV⋅A。采用新型有源中点箝位结构，克服德国二极管中点箝位拓扑大功率电力电子器件损耗不均衡、单机容量小的问题，开发模块化的高功率密度功率模组，解决大功率半导体器件损耗均衡控制、中点电压平衡和容量提升等关键技术难题。中国自主研发的变流器单机容量比德国15 MV⋅A牵引变流器提高60%，功率密度等指标达到国际领先水平。

（3）牵引变流器网侧采用可控整流拓扑^[10]，功率因数可达1，谐波小，无需采用德国方案的无功补偿和谐波治理设备，进一步降低系统成本。

2.2 分布式多任务实时高速磁浮交通牵引控制系统

研发的高速磁浮交通牵引控制系统，基于开放的工业总线技术的多CPU分布式多任务实时控制架构，与德国常导高速磁浮交通牵引控制系统相比，新系统的CPU主频和背板总线速率大幅提高，操作系统更友好，兼容多速率、多类型通信机制，使牵引控制系统可扩展性和实时性得到进一步提高。

牵引控制系统主要由电机控制单元和变流器控制单元组成。电机控制单元主要完成高速磁浮列车高性能位置、速度、牵引力控制^[11-12]，变流器控制单元主要完成高速磁浮高压大功率牵引变流器的控制^[13]。针对高速磁浮交通系统远端并联、多目标控制、分区切换等带来的控制难题，研发一整套高速磁浮交通牵引系统控制策略，通过硬件在环半实物实时仿真平台及磁浮试验线牵车试验验证了系统的控制功能。

3 高速磁浮交通牵引供电与控制关键技术

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3.1 多端口宽变频大功率牵引供电技术

高速磁浮列车采用牵引变流器远距离多端口并联、本地串并联结合的运行方式及定子段分段换步供电模式，目的是克服磁浮列车长定子直线同步电机结构局限，降低牵引供电容量，满足电机低速大电流、高速高电压的驱动要求。多端口的协同供电技术直接影响列车运行安全与可靠性。高速磁浮列车采用百兆瓦级大功率牵引变流器进行电能变换，需解决大功率半导体器件开关频率低和变流器宽频率范围输出的矛盾问题。大功率变流供电技术会影响牵引变流器输出波形质量、供电稳定性和系统损耗，是牵引系统的核心技术。

3.2 分布式实时牵引控制硬件平台技术

为满足列车多分区运行、变流器远距离多端口变频并联供电和电机定子段换步等多目标实时控制及可靠性要求，高速磁浮列车采用多分区多层级冗余分布式实时控制系统架构，控制系统之间具备冗余热备份功能。牵引控制系统硬件平台要满足牵引控制系统运行控制单元、电机控制单元、变流器控制单元、轨旁开关站等多个分布式子系统之间数据采集、传输、运算、高性能实时控制等功能。牵引控制系统硬件平台是牵引供电各子系统之间精准协同工作的基础和保证。

3.3 大功率长定子直线电机控制理论与方法

高速磁浮列车长定子直线电机定子沿轨道分段铺设，动子励磁磁极同时作为车辆悬浮电磁铁使用。在运行中，高速磁浮列车与轨道之间相对位置存在多个维度的波动变化，多端口的供电特性和定子段分段换步方式增加了电磁耦合的复杂度和控制难度，传统旋转电机的控制理论与方法不再适用于高速磁浮直线电机，需要研究多源耦合下的长定子直线电机理论与控制方法。电机控制效果影响列车平稳性和系统能效，高性能直线牵引电机控制理论与方法决定列车是否可以稳定运行与可靠制动，是高速磁浮交通牵引系统的核心技术。

4 中国自主高速磁浮交通牵引供电与控制技术挑战

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面对600 km/h速度级高速磁浮列车的牵引需求，列车速度的提升导致气动阻力大幅提升，使列车运行需要更大的牵引力。中国自主高速磁浮交通牵引供电与控制技术面临新的挑战。

1）多端口牵引系统如何提高磁浮列车高速运行长期服役平稳性和舒适性

高速磁浮列车达速的同时，必须保证磁浮列车全生命周期的平稳性和舒适性。从目前上海磁浮线列车长期服役后的表现来看，磁浮轨道平顺度、轨道梁结构、悬浮导向间隙和牵引供电系统参数都发生一定程度的变化，导致列车在高速下的平稳性和舒适性有所下降。针对600 km/h速度级的高速磁浮列车平稳性和舒适性的研究显得尤为必要。平稳性和舒适性受悬浮方向、导向方向和列车行进方向3个维度的加速度等参数影响。牵引系统主要解决的是行进方向的平稳性和舒适性问题。

2）如何提升高速磁浮交通牵引系统全速度范围能效

在中国碳达峰、碳中和目标下，轨道交通领域也面临绿色低碳发展的新要求。高速磁浮交通牵引供电系统是磁浮耗能占比最高的部分，由于600 km/h速度级高速磁浮列车需要更大的牵引力，使能耗进一步提高，因此研究牵引供电系统在列车全速度运行范围的能效提升技术尤为关键。牵引系统能耗受线路条件、供电方式、牵引线路结构和列车运行方式等诸多因素影响。研究高速磁浮交通牵引供电系统在多重因素影响下的能耗准确评估和能效提升方法，提高列车运行经济性，为构建绿色高速磁浮交通系统提供技术支持尤为必要。

3）如何实现牵引系统全生命周期健康状态智能感知与可靠性提升

牵引供电与控制系统具有多层级分布式强耦合、控制系统之间数据远距离传输延时大和供电系统参数时空非线性变化等特点，降低了系统控制稳定性和安全边界，严重时会导致列车失控。随着列车速度提高，对牵引供电系统输出容量需求更大，输出频率更高。大功率电力电子器件承受更大的电压电流应力，使长期服役下牵引变流系统损耗、散热等问题更加突出，严重影响牵引系统可靠性。建立完善的健康状态智能预测与判断机制，可以提高牵引系统运维水平，有效提升600 km/h速度级高速磁浮列车运行安全性。

5 发展建议

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（1）利用上海磁浮线改造升级的契机，搭建中国自主可控的高速磁浮交通牵引系统试验平台，围绕600 km/h速度级高速磁浮交通牵引供电与控制关键技术，重点开展牵引系统的平稳性控制、能效提升和可靠性提升等研究，进行全速度域的长期考核试验，推进牵引供电与控制技术的迭代升级。

（2）突破牵引系统工程化集成设计、装备制造与智能运维等关键技术，形成600 km/h速度级高速磁浮交通牵引供电与控制技术的中国标准，提供牵引供电与控制技术的中国方案，并将高速磁浮交通牵引供电与控制共性关键技术推广应用。

6 结束语

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中国已基本掌握常导高速磁浮交通牵引供电与控制系统核心技术，为自主研制牵引系统设备的工程化应用奠定了坚实基础。未来通过持续研发和创新，占领高速磁浮交通牵引供电技术和产业的战略高地，为中国交通强国战略实施提供实质性支撑。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2023年第2卷第4期

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3432

1939

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doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2023.04.009

接收时间：2023-10-27
出版时间：2023-12-20
发布时间：2024-01-07

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收稿日期：2023-10-27
修回日期：2023-11-07

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1.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室（中国科学院电工研究所），北京 100190

2.中国科学院大学，北京 100049

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表12种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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