動(dòng)車(chē)組應(yīng)急供電問(wèn)題分析及應(yīng)急自牽引技術(shù)方案*

趙 宇， 王 志， 陸 陽(yáng)， 宋永豐

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081； 2 中國(guó)鐵路總公司 機(jī)輛部， 北京 100844)

動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中，因供電接觸網(wǎng)故障造成列車(chē)停電，動(dòng)車(chē)組發(fā)生停電故障后，只能夠原地等待救援，而動(dòng)車(chē)組用于救援的熱備車(chē)均存放在動(dòng)車(chē)所，如果被救援動(dòng)車(chē)組遠(yuǎn)離動(dòng)車(chē)所，則需要等待較長(zhǎng)時(shí)間才能得到救援。

目前動(dòng)車(chē)組應(yīng)急電源的功率及容量?jī)H能提供緊急情況下短時(shí)通風(fēng)和應(yīng)急照明用電，容易因車(chē)廂內(nèi)高溫、缺氧等因素造成現(xiàn)場(chǎng)混亂，存在極大的安全隱患。

在城市軌道交通領(lǐng)域中，某些列車(chē)出現(xiàn)此類(lèi)停電故障后，可以通過(guò)車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)將列車(chē)應(yīng)急自牽引至就近車(chē)站。文獻(xiàn)[1]中以磷酸鐵鋰電池組作為應(yīng)急牽引動(dòng)力電池組，應(yīng)急牽引工況時(shí)，通過(guò)閉合接觸器將電池組接入牽引系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)，直接為牽引逆變器供電。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力方案，通過(guò)DC 110 V蓄電池組與超級(jí)電容共同為應(yīng)急牽引供電，應(yīng)用超級(jí)電容減小起動(dòng)階段大電流對(duì)蓄電池的沖擊。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]將儲(chǔ)能元件通過(guò)DC/DC變換器接入供電環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急牽引。盡管應(yīng)急自牽引技術(shù)在城市軌道交通中取得了一定的發(fā)展，但在動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引技術(shù)方面的研究卻幾乎空白。動(dòng)車(chē)組與城市軌道交通列車(chē)相比較，在列車(chē)供電制式、線路條件等很多方面存在較大差異，城市軌道交通方面的研究經(jīng)驗(yàn)無(wú)法從根本解決動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，首先分析了既有動(dòng)車(chē)組應(yīng)急供電中所存在的問(wèn)題，隨后提出了3種動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引技術(shù)方案，并對(duì)3種應(yīng)急自牽引技術(shù)方案進(jìn)行分析，最后對(duì)3種技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比。

1 動(dòng)車(chē)組應(yīng)急供電中存在的問(wèn)題

目前，動(dòng)車(chē)組配置有DC 110 V蓄電池組，用于為動(dòng)車(chē)組控制系統(tǒng)及其他直流負(fù)載進(jìn)行供電。在動(dòng)車(chē)組發(fā)生停電故障時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通風(fēng)及應(yīng)急照明功能。在現(xiàn)有蓄電池容量的考核中，要求蓄電池至少能保證應(yīng)急用電時(shí)間不小于2 h，其中應(yīng)急電源應(yīng)能在沒(méi)有外接電源的情況下維持應(yīng)急照明和廣播系統(tǒng)運(yùn)行不少于120 min，應(yīng)急通風(fēng)時(shí)間不少于90 min。圖1所示為某型動(dòng)車(chē)組型式試驗(yàn)中蓄電池試驗(yàn)放電數(shù)據(jù)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為20℃～25℃。根據(jù)試驗(yàn)原始記錄及圖片顯示可以看出，11:15時(shí)應(yīng)急通風(fēng)起動(dòng)工作，12:46時(shí)應(yīng)急通風(fēng)自動(dòng)關(guān)閉，應(yīng)急通風(fēng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間為91 min，13:15時(shí)放電試驗(yàn)結(jié)束，放電時(shí)間為2 h 3 min。然而，蓄電池隨著使用時(shí)間會(huì)逐漸老化，電池容量會(huì)逐漸降低，當(dāng)蓄電池容量衰退至額定容量的80%時(shí)，應(yīng)急通風(fēng)持續(xù)時(shí)間理論上只有約72 min。與此同時(shí)，在冬天以及我國(guó)東北等高寒地區(qū)，較低的環(huán)境溫度會(huì)導(dǎo)致蓄電池的可用容量會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低。目前我國(guó)大部分動(dòng)車(chē)組的蓄電池應(yīng)用鉛酸電池，在低溫條件下，可用容量急劇降低，不能滿足應(yīng)急供電需求。

2 動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引系統(tǒng)

動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引系統(tǒng)是動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，是在動(dòng)車(chē)組既有牽引和輔助系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加以能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成的應(yīng)急系統(tǒng)，見(jiàn)圖2所示。為了滿足牽引工況時(shí)的功率和續(xù)航要求，能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)需要同時(shí)滿足高能量特性及高功率特性。另外，由于動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)于安全性有非常高的要求，故在選擇儲(chǔ)能元件時(shí)需要綜合考慮儲(chǔ)能元件充放電性能及安全性能等各方面因素。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)應(yīng)急自牽引系統(tǒng)中能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)功率雙向傳遞的基礎(chǔ)，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)選擇的合理性會(huì)直接影響到系統(tǒng)功能、效率等多方面因素。

圖1 某型動(dòng)車(chē)組蓄電池放電數(shù)據(jù)

圖2 動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引系統(tǒng)組成

動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引系統(tǒng)存在以下優(yōu)勢(shì)[4-7]：

(1)當(dāng)動(dòng)車(chē)組高壓供電系統(tǒng)發(fā)生故障，無(wú)法通過(guò)接觸網(wǎng)進(jìn)行牽引供電時(shí)，動(dòng)車(chē)組可自行實(shí)施更加靈活的緊急救援措施；

(2)當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生停電故障時(shí)，動(dòng)車(chē)組能夠在無(wú)電區(qū)段進(jìn)行自救運(yùn)行；

(3)應(yīng)急工況時(shí)，可以根據(jù)需求啟動(dòng)空調(diào)，改善車(chē)內(nèi)舒適度，減小乘客恐慌；

(4)再生制動(dòng)工況下，應(yīng)急自牽引系統(tǒng)可以對(duì)制動(dòng)回饋能量進(jìn)行吸收，對(duì)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)充電，減少對(duì)牽引供電網(wǎng)的諧波影響[7]。

3 動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引技術(shù)方案

以下方案以中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組為依據(jù)，牽引及輔助系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖3所示，其中中間直流環(huán)節(jié)電壓為3 600 V。儲(chǔ)能元件選用鈦酸鋰離子電池。

圖3 某型中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組牽引及輔助系統(tǒng)組成

3.1 方案1——新增DC/DC變換器方案

圖4為方案1系統(tǒng)工作原理圖，在既有動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增動(dòng)力電池組與新增雙向DC/DC功率變換器相連接，新增雙向DC/DC功率變換器再通過(guò)接觸器1接入既有牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)，通過(guò)雙向DC/DC 變換器對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充/放電控制，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

在正常牽引工況下，牽引變壓器從接觸網(wǎng)取電，通過(guò)次邊繞組給牽引變流器供電，四象限整流器將變壓器次邊繞組交流電整流成中間直流環(huán)節(jié)電壓。逆變器從中間直流環(huán)節(jié)取電后，逆變成三相交流電控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)；輔助變流器從中間直流環(huán)節(jié)取電后，逆變成三相交流電給輔助負(fù)載供電；接觸器1處于閉合狀態(tài)，雙向DC/DC變換器從中間直流環(huán)節(jié)取電后，降壓后給動(dòng)力電池組充電，正常牽引工況時(shí)能量走向見(jiàn)圖4中綠色箭頭所示。根據(jù)動(dòng)力電池組狀態(tài)及控制需求，在正常牽引狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)與動(dòng)力電池混合協(xié)同供電。當(dāng)應(yīng)急自牽引系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可通過(guò)斷開(kāi)接觸器1實(shí)現(xiàn)隔離操作。

在應(yīng)急自牽引工況下，需要在無(wú)外部高壓狀態(tài)下運(yùn)行，動(dòng)力電池組作為動(dòng)力源，雙向DC/DC變換器將鈦酸鋰離子電池升壓至中間直流環(huán)節(jié)，牽引逆變器從中間直流環(huán)節(jié)取電后，逆變成三相交流電控制牽引電機(jī)旋轉(zhuǎn)；輔助負(fù)載進(jìn)入應(yīng)急工作模式，維持特定負(fù)載正常工作(如控制系統(tǒng)、緊急通風(fēng)、緊急照明等)，應(yīng)急自牽引工況時(shí)能量走向見(jiàn)圖4紅色箭頭所示。

3.2 方案2——雙向充電機(jī)方案

圖5為方案2系統(tǒng)工作原理圖，以隔離型AC/DC雙向充電機(jī)代替動(dòng)車(chē)組原有單向充電機(jī)，并在保留既有DC 110 V 蓄電池基礎(chǔ)上新增多臺(tái)DC 110 V蓄電池，DC 110 V蓄電池通過(guò)雙向充電機(jī)接入三相交流380 V母線。

在正常牽引工況下，雙向充電機(jī)從輔助變流器取電后，將三相380 V交流電整流為110 V直流電為DC 110 V蓄電池組充電，正常牽引工況時(shí)能量走向見(jiàn)圖5中綠色箭頭所示。

圖4 方案1系統(tǒng)工作原理

在應(yīng)急自牽引工況下，以DC 110 V蓄電池組為動(dòng)力源，通過(guò)雙向充電機(jī)將110 V直流電 逆變?yōu)槿?80 V交流電，為空調(diào)應(yīng)急供電及應(yīng)急輔助負(fù)載供電，同時(shí)通過(guò)輔助變流器將三相380 V交流電整流至牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)，為牽引逆變器供電，應(yīng)急自牽引工況時(shí)能量走向見(jiàn)圖5中紅色箭頭所示。輔助變流器需要對(duì)相應(yīng)軟件進(jìn)行升級(jí)，將輔助變流器由目前的單向 AC/DC變流器升級(jí)為雙向 AC/DC變流器。

圖5 方案2系統(tǒng)工作原理

3.3 方案3——優(yōu)化充電機(jī)方案

圖6為方案3系統(tǒng)工作原理圖，新增加DC 750 V動(dòng)力電池組通過(guò)接觸器1接入牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)。對(duì)既有單向充電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，以IGBT代替既有充電機(jī)AC/DC環(huán)節(jié)中的二極管，將原有三相不控整流電路優(yōu)化為三相全控整流電路，同時(shí)設(shè)計(jì)充電機(jī)的中間直流環(huán)節(jié)電壓與動(dòng)力電池組DC 750 V電壓相匹配，并將動(dòng)力電池組通過(guò)接觸器2接入優(yōu)化充電機(jī)的中間直流環(huán)節(jié)。充電機(jī)中間直流電壓經(jīng)過(guò)接觸器3與DC/DC連接，經(jīng)過(guò)降壓后為DC 110 V蓄電池組充電。

在正常牽引工況下，斷開(kāi)接觸器1，由受電弓從接觸網(wǎng)取電為牽引和輔助系統(tǒng)提供能量。優(yōu)化充電機(jī)從輔助變流器取電后，將三相380 V交流電整流至充電機(jī)中間直流電壓，對(duì)DC 110 V控制蓄電池組狀態(tài)與DC 750 V動(dòng)力電池組狀態(tài)進(jìn)行判斷后，選擇閉合接觸器2或接觸器3為相應(yīng)電池組充電，正常牽引工況時(shí)能量走向見(jiàn)圖6中綠色箭頭所示。

在應(yīng)急自牽引工況時(shí)，以動(dòng)力電池組作為動(dòng)力源，閉合接觸器1，通過(guò)牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)為列車(chē)提供牽引力，閉合接觸器2，優(yōu)化充電機(jī)AC/DC部分從動(dòng)力電池組取電，將750 V直流電逆變?yōu)槿?80 V交流電為應(yīng)急空調(diào)及其他應(yīng)急輔助負(fù)載供電，DC 110 V控制電池組為直流負(fù)載供電，根據(jù)DC 110 V控制電池組荷電狀態(tài)選擇閉合或者斷開(kāi)接觸器3。應(yīng)急自牽引工況時(shí)能量走向見(jiàn)圖6中紅色箭頭所示。

圖6 方案3系統(tǒng)工作原理

4 動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引技術(shù)方案對(duì)比

對(duì)以上3種技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1的對(duì)比分析中可以看出，3種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，方案1在技術(shù)先進(jìn)性及功能性方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但其研發(fā)難度較大，研發(fā)周期較長(zhǎng)；方案2在動(dòng)車(chē)組設(shè)備改動(dòng)方面較小，具有較高的輔助負(fù)載供電效率，從技術(shù)積累方面，雙向充電機(jī)的研究同樣起到了較大的推進(jìn)作用，但牽引供電效率較低及供電線路損耗較大；方案3工程實(shí)現(xiàn)難度較低，可靠性較強(qiáng)，供電效率高，但功能的可拓展性較差。

綜上所述，從目前工程實(shí)現(xiàn)的可行性和可靠性角度，方案3是更加合適的方案，從技術(shù)積累及提高科研能力的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度，方案1和方案2具有更高的匹配度。

表1 不同設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中，因各種原因造成列車(chē)停電后的應(yīng)急自牽引技術(shù)進(jìn)行了研究。首先從實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)及蓄電池特性角度，分析了既有動(dòng)車(chē)組應(yīng)急供電中存在著電池容量不足的問(wèn)題，其次介紹了動(dòng)車(chē)組應(yīng)急自牽引系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成及其優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)3種應(yīng)急自牽引技術(shù)方案進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比3種技術(shù)方案得到從目前工程實(shí)現(xiàn)的可行性和可靠性角度，方案3是更加合適的方案，從技術(shù)積累及提高科研能力的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度，方案1和方案2具有更高的匹配度。