地鐵輔助供電系統(tǒng)

袁威 劉錫堯

摘 要：本文重點(diǎn)闡述了地鐵輔助供電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，介紹了地鐵車輛靜止輔助系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、供電模式、基本方案及原理，對(duì)輔助控制系統(tǒng)的原理及功能，主要逆變模塊絕緣柵雙極型晶體管IGBT模塊構(gòu)成，進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)也指出輔助系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；輔助供電；蓄電池

目前，靜止輔助系統(tǒng)中采用的電力電子器件普遍采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT或IPM），IGBT器件屬于電壓驅(qū)動(dòng)的全控型開關(guān)器件，脈沖開關(guān)頻率高，性能好，損耗小，且自保護(hù)能力也強(qiáng)，使用效果好，如將驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能電封裝在模塊內(nèi)，便構(gòu)成智能功率模塊IPM。隨著電子器件的飛速發(fā)展，IGBT或IPM器件的電壓等級(jí)的提升，應(yīng)用技術(shù)的成熟，完全可以滿足城軌交通供電網(wǎng)壓提升的需求。故輔助系統(tǒng)全控型開關(guān)器件控制已經(jīng)進(jìn)入了成熟的階段。

1.輔助設(shè)備布局

分散供電指的是每節(jié)車輛均配備一臺(tái)輔助供電裝置。如廣州地鐵一號(hào)線西門子設(shè)計(jì)車輛即采用分散供電，每節(jié)車均配備一臺(tái)DC/AC，共六臺(tái)，提供AC380V電源；在兩端帶有司機(jī)室的拖車各配備一臺(tái)DC/DC，共兩臺(tái)，提供DC110V電源。集中供電是整列車只采用兩套輔助供電裝置集中供電，互為冗余。西安地鐵二號(hào)線車輛采用這種方式，整列車配備兩套SIV靜止逆變單元，布置在兩端Tc車的車底，為整車提供輔助電源，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了兩套互為冗余，當(dāng)一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，余下的1套能承擔(dān)6輛車的基本負(fù)載并保證列車的正常運(yùn)行。這兩種供電方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：分散供電冗余度大，均衡軸重好配置，但造價(jià)高，總重量也高，且由于分布點(diǎn)多，集成化程度差，易出現(xiàn)故障點(diǎn)較多，故障率高。集中供電冗余度小，每軸配重難以一致，但總重量輕，組成部件集中，模塊化程度高，故障率低，且成本低很多。

2.車輛輔助供電模式

當(dāng)前供電模式主要有兩種，一種是交叉供電，兩路AC380V供電線路貫穿整列車，分別與2個(gè)輔助逆變器相連接。將每節(jié)車廂的交流負(fù)載根據(jù)功率平均分為兩組，分別由兩個(gè)輔助逆變器供電。對(duì)于牽引和輔助逆變器的冷卻風(fēng)機(jī)等重要設(shè)備，兩個(gè)輔助逆變器均為其供電， 以便在一個(gè)逆變器故障時(shí)起到冗余的作用。一種是擴(kuò)展供電，一路AC380V供電主干線貫穿整列車，2個(gè)輔助逆變器均連接到該線路上，但在其中的一個(gè)C車上安裝有一個(gè)接觸器，稱為擴(kuò)展接觸器，將兩個(gè)輔助逆變器分?jǐn)啵?以使其不會(huì)并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)2個(gè)逆變器都工作正常時(shí)，則擴(kuò)展接觸器處于斷開狀態(tài)，每個(gè)逆變器為本單元3節(jié)車的所有交流負(fù)載供電。當(dāng)其中一個(gè)逆變器故障時(shí)，擴(kuò)展接觸器閉合， 由狀態(tài)良好的逆變器為整列車的交流負(fù)載供電，考慮到逆變器的容量限制，這時(shí)每節(jié)車的空調(diào)負(fù)載要減載。從控制的角度來(lái)講，交叉供電要比擴(kuò)展供電容易。在交叉供電時(shí)，因?yàn)槊抗?jié)車的負(fù)載連接在供電線路不同的逆變器上，所以當(dāng)一個(gè)輔助逆變器SIV故障時(shí)，不需要控制電路做任何復(fù)雜的判斷和切換。而擴(kuò)展供電模式控制相對(duì)比較復(fù)雜，需要在關(guān)鍵時(shí)間對(duì)擴(kuò)展接觸器進(jìn)行控制。從布線的角度來(lái)講，擴(kuò)展供電要比交叉供電簡(jiǎn)單。交叉供電需要在整列車上布設(shè)兩路三相四線制的列車線，共8根，而擴(kuò)展供電只需要布設(shè)4根列車線，從數(shù)量上減少了一半，使得成本減少一半，線纜重量也減少了一半，尤其是對(duì)整列車的減重，擴(kuò)展供電有明顯優(yōu)勢(shì)。從滿足舒適度角度來(lái)講，擴(kuò)展供電也有明顯的優(yōu)勢(shì)。交叉供電模式在一個(gè)SIV故障時(shí)就只能有一半負(fù)載工作，而擴(kuò)展供電可以最大限度的負(fù)載工作，客室里乘客乘坐的舒適度不會(huì)受到太大的影響。

3.輔助系統(tǒng)方案分類

3.1 AC380V靜止逆變

隨著電力電子器件發(fā)展，靜止輔助系統(tǒng)也經(jīng)歷著不同方案的發(fā)展過(guò)程，目前，新型車輛輔助系統(tǒng)大都采用IGBT來(lái)構(gòu)成，方案包括：斬波穩(wěn)壓再逆變，加變壓器降壓隔離；三點(diǎn)式逆變器加變壓器降壓隔離；電容分壓兩路逆變，加隔離變壓器構(gòu)成12脈沖方案；二點(diǎn)式逆變器加濾波器與變壓器降壓隔離；直——直變換與高頻變壓器隔離加逆變的方案。

3.2輔助直流電源轉(zhuǎn)換

基于上述三相交流靜止逆變的方案，輔助直流電源轉(zhuǎn)換方式有：通過(guò)50HZ隔離降壓變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)；獨(dú)立的直——直變換器直接接于供電網(wǎng)壓通過(guò)高頻變壓器隔離后再整流并濾波得到DC110V控制電源。這兩種方案，前者依賴于靜止輔助逆變器，一般是將輔助逆變器輸出的AC380V轉(zhuǎn)換成DC110V，其受逆變器故障的影響；后者與靜止逆變器無(wú)關(guān)，不受逆變器故障的影響，但因?yàn)樾枰?dú)立的直流電源，成本高。

3.3實(shí)例分析

某輛靜止輔助系統(tǒng)主要采用的二點(diǎn)式兩路逆變，加隔離變壓器構(gòu)成12脈沖方案；經(jīng)逆變隔離變壓后輸出的AC380V三相交流電，通過(guò)整流降壓，轉(zhuǎn)變?yōu)镈C110V供列車控制系統(tǒng)及蓄電池充電使用。DC24V電源是由降壓整流輸出的DC110V，通過(guò)直流斬波裝置轉(zhuǎn)換成的。當(dāng)僅有蓄電池供電時(shí)，DC110V/DC24V電源變換器能保證列車DC24V回路用電裝置的正常工作。 SIV的保護(hù)控制包括過(guò)電壓、欠電壓、缺相、過(guò)載、接地、過(guò)熱等。靜止逆變器SIV輸入電壓為額定電壓DC1500V；150%額定輸出時(shí)，裝置維持運(yùn)行10秒后關(guān)斷；200%額定輸出時(shí)，裝置立即關(guān)斷。SIV本身產(chǎn)生的電磁輻射會(huì)受到抑制，不會(huì)影響司機(jī)室信號(hào)、有線及無(wú)線通信設(shè)備、牽引和制動(dòng)控制系統(tǒng)等的正常工作，也不會(huì)影響各種線路設(shè)施的正常工作。同時(shí)能抵御外界的電磁干擾。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述的論述，可以了解多元化的地鐵車輛輔助系統(tǒng)。各種方案的選擇情況還是因需而異，各有利弊。目前，地鐵車輛輔助系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化在國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行，如株洲電力機(jī)車研究所為廣州地鐵一號(hào)線西門子車輛設(shè)計(jì)的DC/DC變換器使用效果很好，國(guó)產(chǎn)化的前景是開闊的，故應(yīng)加強(qiáng)這方面實(shí)際應(yīng)用的研究。

參考文獻(xiàn)：

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