城市轨道交通通风空调设备直流供电的可行性研究

摘要：城市轨道交通的迅速发展对其能源利用效率提出了更高要求。通风空调设备作为能耗大户，其供电方式的优化至关重要。本文探讨了城市轨道交通通风空调设备直流供电的可行性，从系统构成、工作原理出发，分析了直流供电在节能、设备简化、空间利用等方面的优势，并对其应用中的技术难点，如电压匹配、谐波抑制、系统稳定性等进行了深入研究，提出直流供电在城市轨道交通通风空调系统中应用具有可行性及良好前景。

关键词：城市轨道交通；通风空调设备；直流供电；可行性

一、引言

随着城市化进程的加速，城市轨道交通成为缓解交通拥堵的重要手段。在城市轨道交通系统中，通风空调设备承担着调节环境温度、湿度、空气质量等重要任务，为乘客和工作人员提供舒适的环境。然而，通风空调设备的能耗在整个轨道交通系统能耗中占比较大，据相关统计，其能耗可占总能耗的20%-30%。传统的通风空调设备多采用交流供电方式，存在着转换效率低、设备复杂等问题。直流供电技术近年来在多个领域得到发展和应用，其具有电能质量高、节能潜力大等优点，将直流供电应用于城市轨道交通通风空调设备，有望降低系统能耗，提高设备运行效率，具有重要的研究意义和应用价值。

二、国内研究现状

随着科技的不断发展和应用需求的不断增加，直流电源行业正处于快速发展的阶段，国内也有较多的研究。梁少芳研究开发了一套高效节能的直流变频空调系统[1]；梁锐研究设计了一套完整的直流变频多联机控制系统[2]；余志坚介绍直流变频多联机空调控制系统的组成架构，控制方式及关键技术，并分析未来发展趋势[3]；王劭中等验证了滑膜观测器、最大转矩电流比和超前角弱磁相结合的控制策略实现了直流母线电压波动下空调电机稳定的全速域稳定运行[4]；马青有提出在城市郊区建设大型空调专用储电系统及基于热舒适度和气温大数据的空调智能控制系统，实现对空调能耗的最优设计[5]；康伟等通过理论分析和实测，提出DC600V的EC风机更为节能[6]；朱林等通过研究分析光伏驱动多联机空调系统的优势以及需要改进的地方，提出了未来光伏直驱多联机空调系统研究的方向[7]；刘挺等对家用空调交直流性能及成本进行研究，提出直流家用空调器在能效及经济性方面均存在优势[8]。

三、城市轨道交通通风空调系统概述

（一）系统构成与功能

城市轨道交通通风空调系统主要包括车站通风空调系统和隧道通风系统。车站通风空调系统又分为车站公共区通风空调系统、车站设备管理用房通风空调系统以及车站空调水系统。车站公共区通风空调系统负责调节站厅、站台等公共区域的温湿度、空气质量，为乘客提供舒适的候车环境；车站设备管理用房通风空调系统保障各类设备正常运行所需的环境条件；车站空调水系统则通过水循环实现冷热量的传输。

隧道通风系统分为车站隧道通风系统和区间隧道通风系统，其主要功能是在列车正常运行时，利用活塞风或机械通风排除隧道内的热量，为列车运行提供适宜的环境；在列车阻塞或发生火灾等紧急情况下，提供有效的通风排烟，保障乘客和工作人员的生命安全。

（二）传统通风空调设备供电方式

传统城市轨道交通通风空调设备大多采用交流供电方式。以常见的三相交流380V供电为例，从城市电网获取的交流电经过降压、整流等一系列变换后，为通风空调设备中的各类电机提供电能。在这个过程中，需要大量的变压、变频设备，如SIV辅助逆变电源将直流600V逆变为AC380V交流电源供设备使用。这种供电方式存在多个转换环节，每一次转换都会带来能量损耗，降低了整个系统的能源利用效率。

同时，由于交流电机的特性，在启动和运行过程中会产生较大的电流冲击和谐波，影响电网的电能质量，还可能对其他设备产生电磁干扰。为解决以上问题，需要额外配置滤波、稳压等设备，进一步增加系统的复杂性和成本。

四、直流供电技术原理及优势

    （一）直流供电系统工作原理

直流供电系统在城市轨道交通通风空调设备中的应用，主要是将列车电网、超级电容以及辅助电源的DC1500V/DC750V/DC600V直流电源直接引入通风空调机组。以典型的直流供电变频空调机组为例，直流电源输入后，先经过滤波处理，去除电源中的杂波和干扰信号，然后通过变频逆变器将直流电逆变为电压可变、频率可变的电源（即VVVF）。该可变电源用于控制压缩机、风机等电机的运转频率，从而实现空调机组制冷量、送风量在一定范围内的连续调节，以满足不同工况下的热负荷需求。

（二）直流供电在通风空调设备中的优势

1.节能效果显著

直流供电取消了传统交流供电中的多次电源转换环节，减少了转换过程中的能量损耗。例如，空调内部将AC380V整流为DC600V的效率一般为90%~95%，因此，与采用AC380V电源的空调机组相比，采用DC600V电源的空调机组至少可节能5%~10%[6]。同时，通过直流变频技术精确控制电机转速，使通风空调设备能根据实际负荷需求精准调节输出功率。研究表明，与传统定速空调相比，直流变频空调电耗可降低约30%。

2.设备简化与空间利用

采用直流供电后，通风空调设备可省去交流供电所需的大量变压、变频设备，如辅助逆变电源、隔离变压器等。例如，传统地铁车载空调机组改为直流空调机组后，节省了电源逆变及整流环节，电源在DC/DC降压环节同时实现隔离，壳体采用铝合金材质，优化机组结构设计，整机质量从680kg减少到600kg[9]。这不仅降低了设备成本，还减轻了设备重量，有利于车辆的轻量化设计。同时，设备的简化使得通风空调机组的结构更加紧凑，减少了设备占用的空间，对于空间有限的城市轨道交通车辆和车站来说，具有重要意义。

3.提高设备运行可靠性

直流电机相比交流电机，具有启动电流小、调速性能好等优点。在直流供电的通风空调设备中，电机启动时为低压低频，电流小，启动电流基本为0，对电源无冲击，大大提高了设备的可靠性。而且，直流供电系统中的设备数量减少，故障点相应减少，维护工作量和维护成本降低。例如，在传统交流供电系统中，辅助逆变器故障可能导致所有受控空调出现故障，而直流供电系统中，单个空调的供电电源装置独立，一台装置出现故障不影响其他空调正常运行，具有更好的冗余性。

五、直流供电应用于通风空调设备的技术难点及解决方案

（一）电压匹配问题

城市轨道交通供电系统存在多种直流电压等级，如DC1500V、DC750V等，而通风空调设备内部的各类电气元件和电机对电压的要求各不相同，因此需要解决电压匹配问题。一方面，可以采用直流-直流变换器（DC-DCConverter）对输入的直流电压进行转换，使其满足设备内部不同部件的电压需求。例如，对于需要较低电压的控制电路和传感器等，可以通过降压型DC-DC变换器将高电压的直流电源转换为合适的低电压。另一方面，在设备选型和设计阶段，应充分考虑不同电压等级的兼容性，选择能够适应多种电压输入的设备或对设备进行定制化设计，以确保设备在不同电压等级下都能稳定运行。

（二）谐波抑制

虽然直流供电系统相对交流供电系统产生的谐波较少，但在直流变频过程中，由于逆变器的开关动作，仍会产生一定的谐波，这些谐波可能影响设备的正常运行，甚至对其他电子设备产生干扰。为抑制谐波，可以采用多种方法。一是在逆变器的控制策略上进行优化，采用先进的调制技术，如矢量变频SVPWM技术，在实现VVVF电压输出的同时，减少变频器谐波含量。二是在电路中设置谐波滤波器，如在直流侧和交流侧分别安装合适的电感、电容组成的滤波器，对谐波进行滤波处理，降低谐波对系统的影响。

（三）系统稳定性

直流供电系统的稳定性受到多种因素影响，如电源波动、负载变化等。为保证系统稳定性，首先要建立完善的电源管理系统，实时监测电源的电压、电流等参数，当电源出现波动时，能够及时采取调节措施，如通过稳压装置对电压进行稳定。其次，对于通风空调设备的负载变化，要采用先进的控制算法，如模糊控制技术，根据实际负荷变化实时调整设备的运行参数，使系统始终保持在稳定运行状态。此外，还可以设置备用电源或储能装置，如超级电容，在电源出现故障或瞬间断电时，能够及时为设备提供电能，保障设备的正常运行，提高系统的可靠性和稳定性。

（四）影响直流供电推广应用的因素

尽管直流直接供电在空调、风机和水泵应用中展现出诸多优势，但其大规模推广仍面临技术与非技术性挑战。客观认识这些限制因素对于制定合理的技术路线和市场策略至关重要。

1）标准不统一：是当前最突出的行业瓶颈。直流供电领域尚未形成统一的设计、建设和运维标准，不同厂商的产品在电压等级、接口规范、通信协议等方面存在差异，导致系统兼容性问题。例如，风机直流供电电压既有采用750V的方案，也有800V甚至更高电压的设计，这种不统一增加了设备选型和系统集成的难度。标准化滞后在一定程度上阻碍了直流技术的推广应用，亟需行业组织和领先企业共同推动相关标准的制定工作。

2）用能设备不匹配：在目前交流供电体系下，虽然在太阳能发电、储能等特殊领域出现过满足直流供电的空调设备，但空调、风机、水泵等设备仍以交流电输入为主，哪怕设备电机采用了直流电机的，输入电压仍然为交流电。为了满足直流供电，需要对目前大部分的用能设备进行定制或者改造。同时目前该部分市场需求规模较小，难以形成规模效应，成本较高，降低了厂家研发的积极性。

3）初期投资较高：构成市场推广的经济障碍。虽然直流系统的全生命周期成本具有优势，但初期设备采购费用通常比传统交流方案高20%-30%。这主要源于两个方面：一是大功率直流开关设备、保护器件等关键部件成本较高；二是市场规模较小，难以形成规模效应。对于预算敏感的用户，这种前期成本障碍可能影响技术选型决策。

4）技术人才短缺：是实施阶段的现实困难。直流供电作为相对新兴的技术，熟悉其设计、安装和维护的专业人员较为稀缺。传统电工大多接受的是交流系统培训，对直流配电的特殊要求了解有限。企业在采用直流技术时，往往需要投入额外资源进行人员培训或依赖供应商支持，这增加了技术转换的成本和风险。建立专业人才培训体系和认证机制是解决这一问题的关键。

5）特定技术瓶颈：虽然直流供电整体技术已趋成熟，但在某些细分领域仍存在改进空间。例如，高压直流断路器的开断能力和速度尚不及交流断路器，影响系统保护性能；大功率DC/DC变换器的效率和可靠性有待进一步提升。这些技术瓶颈的突破将直接影响直流供电在高端工业场景中的应用深度。

6）市场生态不完善：完整的直流供电生态系统包括设备制造商、设计院、施工单位和运维服务商等多个环节，目前这一生态尚在形成过程。

六、结论与展望

城市轨道交通通风空调设备采用直流供电具有显著的可行性和优势。从系统原理和构成来看，直流供电系统能够有效满足通风空调设备的运行需求。在节能方面，直流供电减少了电源转换环节，通过变频技术精确调节设备功率，相比传统交流供电节能效果显著。在设备方面，简化了设备构成，减轻了设备重量，提高了设备运行可靠性。虽然在应用过程中存在电压匹配、谐波抑制和系统稳定性等技术难点，但通过采用合适的技术手段和控制策略，能够有效解决这些问题。直流空调在轨道交通车辆上的成功应用表明，直流供电在城市轨道交通通风空调系统中的应用能够带来良好的经济效益和社会效益。

随着直流供电技术的不断发展和完善，其在城市轨道交通通风空调设备中的应用前景广阔。未来，一方面应进一步统一标准、优化直流供电系统的设计和控制策略，提高系统的整体性能和可靠性，降低设备成本。另一方面，随着新型电力电子器件的研发和应用，有望进一步提高直流供电系统的效率和稳定性，扩大使用范围。此外，随着城市轨道交通智能化的发展，直流供电系统可与智能控制系统相结合，实现通风空调设备的智能化运行和管理，根据实际环境和设备、乘客需求实时调整设备运行状态，进一步提升能源利用效率和乘客舒适度。因此，直流供电技术在城市轨道交通通风空调领域具有良好的推广应用价值，将为城市轨道交通的绿色、高效发展提供有力支持。

参考文献：

[1]梁少芳.直流变频空调控制系统的研究与实现[D].电气化、电能应用,2007.
[2]梁锐.直流变频多联机空调控制系统的应用研究[D].广州:华南理工大学,2010.
[3]余志坚.基于直流变频多联机空调控制系统的应用[J].建筑工程技术与设计,2018(2).
[4]王劭中,俞国新,常云雪,等.光储直柔背景下直流空调电机控制策略研究[J].电机与控制应用,2024(04)：60-69.
[5]马青有.基于储能和智能控制的空调系统能耗优化研究[J].储能科学与技术,2024(05)：1592-1594.
[6]康伟,赵钧,齐心,等.直流供电空调机组在城市轨道交通车辆上的应用[J].城市轨道交通研究,2025(2)：153-156.
[7]朱林,于文滔,张喜明,等.光伏直驱多联机空调系统的现状及展望[J].节能,2023(12)：117-119.
[8]刘挺,宋扬,汪超,等.直流与交流家用空调器性能及成本对比分析[J].供用电,2025(04)：42-47.

[9]李宝泉,张显辉,岳小鹤,等.DC1500V直进变频空调在城市轨道交通车辆上的应用[J].城市轨道交通研究,2019(8)：158-161.