有轨电车供电新技术
安萨尔多STS在那不勒斯的Tramwave地面供电线路
有轨电车是一种历史悠久的公共交通工具，现在仍然有不少城市保留有轨电车，并且在技术上不断改进。但是近四、五年来很多人认为市中心区的架空线很不美观。巴黎、布鲁塞尔、纽约、伦敦、华盛顿特区的市中心都将轨道交通设在地下，到郊区再上地面。然而地下的建设费用太高，往往是地面架空供电的3倍，而且维修费用也很高。为了在地面上避免架空供电，近年来出现了多种地面供电的方案，并取得了一定的成效。下面介绍一些可行的方案。
1 Tramwave地面供电系统技术
创威（TramWave）地面供电技术是安萨尔多STS公司的先进专利技术，该项专利技术已在意大利TRIESTE所有电动公交车上使用。TramWave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。Tramwave可提供稳定的传输电力，并有效的减少对环境的污染。最重要的特点，创威地面供电系统取代传统架空接触网供电方式，可避免对市区的城市景观造成破坏。
Tramwave供电接触线嵌入式安装在两条铁轨中间的连续导管内，不影响行人及其它车辆的穿行。接触线的供电只有在车辆驶过时才能被转向架下安装的车载磁性集电靴接触性激活，且仅位于车下固定的一小段区块，其它位置不带电。Tramwave系统的基本构件为一个3m或5m长用于内嵌的模块化组件构成，该模块组件内容纳了全部的地面供电系统所需元素。一系列50cm长彼此绝缘的钢制接触板安装于模块组表面，所有模块组连接在一起形成了Tramwave地面供电接触线。车辆驶过时，只有与车下集电靴接触的一块50cm或者最多2块共100cm的线段上为激活通电状态，其它均不带电，保证了供电的安全要求，满足了车辆的驱动及附属设备用电需求。Tramwave供电系统模组具有自己的电路安全环，负极回流不经过车轮及钢轨，有效的避免了杂散电流的危害。Tramwave供电的有轨电车可通过车载蓄能装置实现再生制动，回收制动电能。
Tramwave的主要特色还表现在：其可以实现连续电力供应，与传统架空电线供电达成同样的效果；不需再装载辅助的系统，能自主的运作；Tramwave可实现直接安装在各种轨道车辆上；可以与传统架空网实现混合供电的应用方式（如在历史古迹附近使用非架空电力系统，在郊区使用传统架空系统）。目前，在意大利的那不勒斯建设有600m长的有轨电车Tramwave地面供电线路已于2012年底投入载客运营。
2 无线电控制的APS地面供电系统技术
Alstom在波尔多运营的APS有轨电车地面供电系统
20世纪90年代，法国的波尔多决定建造一个有轨电车网，规模达到43公里，使用74辆有轨电车，并且规定在市中心区不允许架设架空线。
1996年，波尔多市政府决定委托SYSTRA公司领导的项目组全权负责该市有轨电车线网的建设工作，线网由3条线路组成，总长约43公里，线路之间可以方便换乘，其中有10公里线路采用Alstom的APS地面供电方式，可避免架设接触网线及其支架对城市景观的影响。该项目组于1996至1997年完成了工程设计和投资成本估算等多个阶段的工作。1997年，SYSTRA公司以工程总承包方的身份开始负责线网建设的一期工程（含3条线路，总长24.7公里）。工程于2000年2月正式开工，A线于2003年12月投入使用，B线和C线于2004年投入运营。通往地区医疗服务中心的A线延伸段计划于2005年6月投入使用。2002年，SYSTRA公司领导的项目组再次接受波尔多市政府的委托负责有轨电车线网建设的二期工程，同样包含3条线路，总长约18公里。 二期工程2007年投入运营。为了能在有轨电车二期工程完工的基础上于2015年顺利实现该市全封闭公交线网的建设计划，波尔多政府已于2003年将三期工程的可研工作委托给SYSTRA领导的项目组。
Innorail曾花多年开发了APS系统（后被Alstom收购），并在马赛进行试验。APS在有轨电车轨道的中间增设一条中央轨，中央轨每8m增设一段3m的绝缘段。每22m由750V直流分段供电，只有当车辆通过时，由无线电控制的开关才使中央轨通电。安装在车底两个转向架的集电靴获得供电。车辆通过后，中央轨便不带电。车上装有9kWh的蓄电池组，在通过绝缘段时可保持供电；或当供电系统发生故障时，可保证电车不致停在关键地段。该系统碰到的问题是绝缘段的磨损每年达1mm，与导电轨产生差异。经过采取补救措施，该问题已得到解决。此外，冰雪天气也碰到一些问题。
Alstom曾提出报告称，波尔多使用APS的有轨电车已运行600万公里，每天运送20万人次，完好率达到99%。导电轨的使用寿命预期与钢轨相同，但有关集电靴的使用寿命未提供资料。电车的车底安装了刷子，可以扫除导电轨表面的砂。APS可能无法实现制动能量的再生，这是一个缺点。法国其他一些城市也考虑其新建有轨电车线路在中心区的范围（1.5km以内）采用APS系统。
3 蓄电池供电
法国的尼斯在2007年12月投入运行的有轨电车线路要通过两个重要的广场，那里每年都要举行狂欢节游行，因此不能架设架空线。解决的方案是使用蓄电池短距离供电，在架空供电时再向蓄电池充电。Alstom的Citadis302型有轨电车装有540VDC，200kW SAFT NiMH蓄电池组，能以80Ah供电27kWh。车上的空调设备也可由蓄电池供电，但如果车辆在没有架空供电的区段停留超过3min的话，车上的空调设备自动停用，以节省能耗。蓄电池的正常使用寿命预期约5年。
4 Primove电磁感应供电技术
庞巴迪Primove无接触运行系统
Primove的电磁感应供电系统是庞巴迪于2008年开发的一种有轨电车供电技术，并于2009年1月在德国的Bautzen进行示范试验。750VDC供电电缆沿电车轨道敷设，根据需要每隔一定距离设置一套逆变装置，由供电电缆供电。逆变器将直流电转变为20kHz，400VAC，通过敷设在轨道中间的3条并行的电缆，初级电路产生感应磁场。次级电路安装在车底下，离开初级电路的距离最大不超过70mm。次级线圈在感应磁场的作用下，产生约400V的交流电压，再转变为600VDC，供给有轨电车的牵引系统。电磁感应供电系统的效率取决于次级与初级之间的空气隙大小，正常范围约45mm，但是会随着车体垂直方向的上下而变化。车底感应的电流本身是闭路的，因此轨道内没有回流的电流。
在Bautzen试验的电车长20.5m，重28.3t，由4台85kW电动机驱动。车上装有2个感应线圈，最大传输功率为250kW。试验线路分为5段，第一和第五段各长240m，第二至第四段各长10m。感应电缆敷设在总长510m的线路。试验的意图是针对不同的情况，在地面行人容易接近轨道的地方，只允许车辆底下的短距离区段可以通电；在隧道内或隔离的区段，则可以采用较长的区段。区段的通断由电子控制。
由于采用感应的原理，所以不产生磨损。冬季大雪的情况也没有问题。根据研制单位的报告，感应传输的损耗比传统架空供电约高10%。投资和维修费用估计是架空供电的1.5倍，需要等待试验结束才能确定。
在道碴或草地上敷设的轨道，Primove完全没有问题，但是在沥青或水泥街道上敷设的轨道，要求电缆的敷设深度至少为200mm，以防止电缆损坏。
德累斯顿已表示对Primove有兴趣，可用于通过会展区的有轨电车延伸线路。此外，在隧道内如果不用架空线的话，可以减小隧道的断面。有待回答的问题是电磁波对乘客人体的影响。
5 超级电容器供电
Bombardier于2003年在德国的曼海姆采用超级电容器作为蓄能装置，向有轨电车供电。这种Mitrac节能装置当充足电时容量为300kW，可以利用的能量为60%，装置的总重为477kg。试验的车辆为Duewag有轨电车，采用ABB牵引系统。经过4年的试验，节能效果十分可观，除了再生制动的正常节能效果外，能耗还可降低20%，最大优点是，当有轨电车离开架空线由超级电容器供电时，减少的架空线损耗约为6%。
由于试验取得成功，德国莱茵地区决定采用19辆Bombardier Variobahn有轨电车，车上的Mitrao节能装置采用Batscap超级电容器与逆变器组成一套装置，比原型车的装置体积更小一些，重量也减轻为400kg。30m长的有轨电车配备2套装置，能以20km/h的速度离开架空线行驶800m。40m长的有轨电车配备3套装置。这种供电方式适合于线路延伸而不允许架线的区段。
6 Sitras HES混合型蓄能装置供电技术
Siemens开发的Sitras HES技术用于CombinoPlus有轨电车，在葡萄牙的Almada进行试验。由750VDC充电的超级电容器另外增加一组牵引蓄电池，形成类似混合动力的方式。Sitras HES采用空气冷却Maxwell 0.85kWh超级电容器，工作电压为190V~480VDC，组成2套144kW的装置，总重820kg。蓄电池为水冷SAFT Ni-MH，容量为18kWh，105kW，重量为826kg。在正常运行条件下，蓄电池由架空线供电，最大充电电流22A。蓄电池的最大放电电流为200A。所有增加的设备重量约2.2t。
在正常制动的情况下，再生的电能有1/3反馈到架空线，1/3被超级电容器吸收，1/3用于车上的辅助设备，或消耗在制动电阻器。如果将超级电容器的容量增加一倍，则可消除制动电阻器的损耗。
7 CAF快速充电蓄能装置供电
CAF有轨电车停靠站快速充电
西班牙的CAF采用快速充电方案，ACR系统是一套由车载超级电容器供电的电源系统，车上的超级电容器在进站制动时，可利用再生电能充电，停站时站上的架空电源再进行快速充电。
该系统在西班牙萨拉戈萨（Zaragoza）市轻轨1号线使用，站间无需架设架空线网，荣获多个奖项和赞誉。将有21辆Urbos Ⅲ型有轨电车采用这种方式运行。西班牙的塞维利亚（Sevilla）市轻轨也采用该系统。2013年1月4日，CAF公司联合长鸿营造公司中标的高雄环状轻轨捷运8.7公里工程项目，即采用此ACR系统的快速充电带车载超级电容器供电系统，车辆为Urbos 100系列100%低地板有轨电车，预计2014年底首车上线测试。
Alstom也对类似的方式在巴黎的T3线进行试验。超级电容器安装在Citadis402型有轨电车的车顶上，总容量为2.16kWh，其中1.62kWh可以使用的最大功率为360kW。整个装置的重量为720kg。在停站时的充电时间不超过20s。
8 飞轮储能技术
飞轮储能是指将能量储存在高速旋转的飞轮质量中，飞轮储能系统就是利用飞轮实现电能到机械能再到电能转换的一套完整的储能装置。在技术上，大容量储能飞轮系统起到平稳电压的作用，车辆再生制动的使用比例可以大大提高，并可取消沉重的制动电阻，减轻车重提高效率，并提高制动的可靠性；在经济上，飞轮成本也能很快回收。因此可见，飞轮储能技术在城市轨道交通系统中的应用这是一种值得充分重视的技术。
2013年1月17日，阿尔斯通(Alstom)交通运输部和威廉姆斯混合动力公司签署协议，双方合作在Citadis有轨电车上安装并测试威廉姆斯的飞轮储能技术。在独家合作关系的基础上，双方将于2014年开始在现有的车辆上装车并测试原型系统，即威廉姆斯的复合材料MLC飞轮储能装置。
威廉姆斯的飞轮技术最早于2009年开发并用于威廉姆斯一级方程式赛车上，后来被引进用于伦敦公共汽车上。该技术通过回收制动能量最高可节约燃油15%，而之前制动能量通常都以热能方式消耗掉。该飞轮转子是由一种复合材料制成，在高速运转情况下，比金属材质更加安全。
对于有轨电车来说，架空供电虽然是一种经济的运行方式，且现代技术可以使架空设备简洁美观，并能达到较长的使用寿命。但是，从整个有轨电车系统所产生的社会效益上看，地面供电方式的有轨电车仍具有相当的优势。若避免架空供电，将使投资费用和运行成本增加。经过数年的研究试验，各种方案在技术上都是可行的，社会效益也是相当可观的，但从经济角度需要衡量其必要性。其适用范围可能仅限于必须取消架空线的特殊区段，比如市区范围以及风景名胜和古迹保护区等等。
感谢 作者 柴适 世界之窗 2011年稿 部分修改
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