淺談北京地鐵14號線輔助供電系統(tǒng)

劉恩朋

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266000）

0 引言

輔助供電系統(tǒng)是列車上至關(guān)重要的功能系統(tǒng)。它用作車輛空調(diào)、電熱采暖、照明、空氣壓縮機(jī)、各系統(tǒng)控制電路及列車監(jiān)視系統(tǒng)、車載信號和通信設(shè)備等的電源，是列車系統(tǒng)不可缺少的一部分，下面介紹一下北京打鐵14號線輔助供電系統(tǒng)。

輔助供電系統(tǒng)組成：

北京地鐵14號線輔助供電系統(tǒng)包括：隔離開關(guān)和熔斷器（位于PH箱高壓部分）、不采用高速斷路器（使用ACM熔斷器和線路接觸器實現(xiàn)保護(hù)）、LC輸入濾波器、輔助逆變器模塊（ACM）、控制單元DCU/A、三相交流濾波器、輸出變壓器、DC110V整流裝置（位于輔助充電機(jī)AB箱內(nèi)）、DC110V/DC24V電源變換器、蓄電池組、緊急通風(fēng)用逆變器。

輔助逆變器的功率元件采用大功率電力電子器件IGBT，其控制采用微機(jī)控制并有自診斷功能。輔助逆變器工作電壓：額定電壓：DC1500V，電壓波動范圍：DC1000V～DC1800V，當(dāng)列車處于再生制動時其輸入電壓可達(dá)DC1980V。6輛編組列車的靜止逆變器總?cè)萘繛?*117kVA=468kVA。

1 容量及輸出能力

為保證輔助電源系統(tǒng)最大可用性，每列車安裝4組獨立的輔助電源裝置即靜止逆變器(SIV)和2組蓄電池組，這保證即使一臺輔助逆變器故障列車也無任何降級，輔助電源裝置采用分散布置,其輸出能力將滿足6輛編組列車各種負(fù)載工況的用電要求。

交流輸出：三相AC380V，50Hz，三相四線制（含單相220V）

容量：每臺117kVA；四臺逆變器總?cè)萘?×117kVA=468kVA

負(fù)載：空調(diào)或電熱采暖裝置、幅流風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)組、客室及司機(jī)室照明、DC110V整流裝置和DC110V/DC24V電源變換器等。

負(fù)載功率因數(shù)： ＞0.85(感性負(fù)載)

電壓精度： 380V±5%

頻率精度： 50Hz±1Hz

波形畸變因數(shù)： ＜5%（適用于無源負(fù)載和轉(zhuǎn)動負(fù)載，不適用于逆變器負(fù)載，因為逆變器負(fù)載將畸變電源的電流和電壓）

瞬間電壓變化范圍：±20%以內(nèi)(負(fù)載突變從100%到70%額定值或從70%到100%額定值，輸入電壓突變DC±300V/20ms)

瞬間電壓變化調(diào)整時間：＜0.1秒。

直流輸出：DC110V：

總?cè)萘浚好颗_25kW，兩臺蓄電池充電機(jī)總?cè)萘?×25kW=50kW電壓精度：110V±3%

紋波系數(shù)：＜5%

瞬間電壓變化范圍：±20%以內(nèi)(負(fù)載突變從100%到70%額定值或從70%到100%額定值，輸入電壓突變DC±300V/20ms)瞬間電壓變化調(diào)整時間：＜0.1秒。

用于對110V蓄電池組進(jìn)行浮充電，具有蓄電池箱溫度補(bǔ)償控制功能。通過蓄電池充電機(jī)變壓器的三相電壓在二極管橋中整流并通過升壓斬波器控制在預(yù)設(shè)值。此功能將三相電壓以及蓄電池充電機(jī)輸出分別控制在理想范圍。斬波器的IGBT元件通過ACM中的控制單元控制。

直流輸出：DC24V

總?cè)萘浚?每臺持續(xù)功率2080W，兩臺總?cè)萘考s為4kW

電壓精度： 24V±3%

紋波系數(shù)： ＜5%

瞬間電壓變化范圍：±20%以內(nèi)(負(fù)載突變從100%到70%額定值或從70%到100%額定值，輸入電壓突變DC±300V/20ms)

瞬間電壓變化調(diào)整時間：＜0.1秒

輔助電源系統(tǒng)的中壓母線由4臺輔助逆變器并網(wǎng)供電。中壓母線貫穿于整列車給整列車的中壓負(fù)載同時供電。中壓接觸器用于將輔助逆變器與中壓母線隔離。正常情況時，接觸器處于閉合狀態(tài)并且所有的輔助逆變器處于并聯(lián)供電模式；當(dāng)發(fā)生故障時，中壓接觸器可以將故障輔助逆變器隔離。

中壓母線上的所有負(fù)載都將提供獨立的接觸器用來保護(hù)。當(dāng)任意一個負(fù)載故障時，接觸器將斷開負(fù)載和中壓母線的連接以確保中壓母線不受影響。

在列車中間將一臺安裝母線接觸器，萬一母線短路時，不需要將整條母線全部隔離。

在進(jìn)行電路的設(shè)計時，嚴(yán)格堅持故障導(dǎo)向安全原則，供電電路分系統(tǒng)設(shè)計，每個電路分別設(shè)置容量合理的空氣自動開關(guān)，用于過流和短路保護(hù)，這樣即可避免故障擴(kuò)大化，也實現(xiàn)了對輔助電源設(shè)備的隔離保護(hù)。

眾所周知，交流負(fù)載在啟動的瞬間具有較大的電流沖擊（超出數(shù)倍的額定電流），當(dāng)所有的交流負(fù)載同時啟動的情況下，沖擊電流將會疊加，對輔助電源將會造成極大的沖擊，輔助電源將啟動過流保護(hù)，也存在對設(shè)備本身造成破壞的風(fēng)險。

為了實現(xiàn)利益最大化和運營安全，在充分考慮各種因素的前提下，充分利用輔助電源本身允許的過流特性，設(shè)置合理的輔助電源容量。

2 輔助容量計算

2.1 正常運行

380VAC/220VAC負(fù)載：

根據(jù)交流負(fù)載統(tǒng)計表，夏季時正列車的交流負(fù)載最大，此時整列車的交流負(fù)載為394.7kVA。

根據(jù)配置，每個輔助變流器將承擔(dān)394.7/4=98.675kVA，所以每個容量為117kVA的輔助逆變器在正常運行時具有16%的余量。

110VDC負(fù)載（含DC24V負(fù)載）：

根據(jù)DC110V負(fù)載統(tǒng)計表，整列車的總的直流負(fù)載為24.33KW（含DC24V負(fù)載）。因此，每個AC/DC蓄電池充電機(jī)模塊將承擔(dān)24.33/2=12.165kW。每個AC/DC蓄電池充電機(jī)可以提供高達(dá)25kW的功率，滿足要求。

2.2 故障運行

一個輔助變流器故障情況：

如果一個ACM故障，其它正常工作的每個ACM需要承擔(dān)421.8kVA/3=140.6kVA的負(fù)載以實現(xiàn)全冗余，剩余的每個ACM可以提供150kVA（冷卻風(fēng)扇全速）的功率，三臺ACM可提供450kVA，大于整列車交流負(fù)載394.7kVA，即：完全冗余的輔助系統(tǒng)，負(fù)載不需要減載運行。AC/DC蓄電池充電機(jī)由共用的交流母線供電，因此蓄電池充電機(jī)沒有任何影響。

兩個輔助變流器故障情況：

如果兩個輔助變流器故障，剩余的兩臺ACM可以承擔(dān)300kVA（冷卻風(fēng)扇全速）的負(fù)載。在這種狀態(tài)下：

夏季：

每輛車有一個空調(diào)機(jī)單元正常工作，另一個空調(diào)單元的通風(fēng)仍能正常工作列車所有負(fù)載的容量僅為256.7 kVA，小于可以兩臺ACM可以承擔(dān)的300kVA容量，滿足運用需求。

冬季：

由于空調(diào)機(jī)組僅處于通風(fēng)狀態(tài)，全列車正常工作的輔助負(fù)載容量共有243.22 kVA，小于可以兩臺ACM可以承擔(dān)的300kVA容量，滿足運用需求。

一個蓄電池充電機(jī)故障：

如果一臺AC/DC蓄電池充電機(jī)故障，另一臺蓄電池充電機(jī)需要提供23.93kW（含DC24V負(fù)載）的功率以實現(xiàn)全冗余，剩余的一臺蓄電池充電機(jī)可以提供25kW的輸出容量給整列車的DC110V負(fù)載（含DC24V負(fù)載）供電，即為全冗余的低壓電源供給系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

車輛相關(guān)各系統(tǒng)與輔助電源系統(tǒng)電氣接口配合的好壞直接關(guān)系到列車是否能夠維持正常運營和為乘客提供優(yōu)良、舒適的乘車環(huán)境。輔助電源容量大小直接關(guān)系到各負(fù)載設(shè)備特別是空調(diào)機(jī)組和空氣壓縮機(jī)能否正常工作，需要根據(jù)車輛的配置和以往項目的經(jīng)驗保證全車各用電設(shè)備的正常工作，并考慮到輔助電源故障的情況及空調(diào)機(jī)組和空氣壓縮機(jī)瞬間啟動電流對輔助電源的沖擊。因此，輔助電源的容量計算至關(guān)重要，體現(xiàn)了車輛供貨商的集成能力。

［1］GB/T 7928-2003地鐵車輛通用技術(shù)條件[S].

［2］龐巴迪運輸瑞典有限公司,北京地鐵14號線輔助系統(tǒng)技術(shù)說明[Z].