軌道列車輔助變流器供電方式分析

王樹賓

(中車長春軌道客車股份有限公司, 130062, 長春//教授級高級工程師)

軌道列車輔助供電系統(tǒng)維持著列車許多重要功能的實現(xiàn)，也關系到乘客的乘坐舒適性，是列車運行不可缺少的部分。輔助供電系統(tǒng)將網側直流電壓逆變成三相380 V交流電，提供給列車。列車上除牽引電機以外的負載，包括風機空調、插座、照明、加熱器等設備，都是由列車輔助供電系統(tǒng)來維持其正常工作的。隨著變頻空調等非線性負載的普及，對列車輔助供電系統(tǒng)的性能要求也越來越高，尤其對其可靠性、安全性的要求也逐漸提高。未來的輔助變流供電系統(tǒng)也會在原有基礎上得到大幅度改善，逐漸往高頻化、輕量化發(fā)展。因此，探索長壽命、高可靠性、高功率密度的輔助變流器，是未來發(fā)展的趨勢[1]。

基于軌道列車輔助變流供電系統(tǒng)的基本原理和控制方法，分析輔助變流器的拓撲結構和供電方式，并對未來軌道列車輔助供電的發(fā)展提出展望。

1 輔助變流供電系統(tǒng)拓撲結構

目前，軌道列車輔助變流器的主流拓撲結構分為兩種：工頻隔離式輔助變流器和單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器。

1.1 工頻隔離式輔助變流器

圖1為典型的工頻隔離式輔助變流器的拓撲結構：采用三相四線制，從網側直流電取電，經過網側濾波、三相全橋逆變、變壓器隔離和變壓，輸出濾波得到三相380 V交流電，給列車上的負載供電。此拓撲結構中，網側直流電只需1次變換，再經變壓器的隔離和變壓就可以得到想要的電壓。其結構簡單實用、可靠性高、易于實現(xiàn)，是目前常用的拓撲結構。但是，由于采用工頻變壓器，故體積龐大，較笨重，變流器整體的功率密度較低[2-4]。

圖1 工頻隔離式輔助變流器拓撲結構

1.2 單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器

圖2是典型的單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器。網側直流電輸入，經網側濾波后進入高頻逆變器；高頻逆變器將直流電壓轉換成高頻交流電壓，通過高頻變壓器進行隔離變壓，經過整流橋得到需要的直流電壓；再經直流濾波進入工頻三相逆變器，輸出濾波后得到預期的三相交流電。

該拓撲結構采用的高頻變壓器在體積和質量上大幅度減少，提高了功率密度；且直流濾波的引入使DC/DC變換和DC/AC變換相對獨立，可以根據(jù)各自的需要獨立進行控制。但是，其缺點也比較明顯：由于需要經過三級變換，整體結構更加復雜，控制難度也有所加大；由于采用了不控整流，能量只能單向流動；雖取消了工頻變壓器，但引入了直流濾波環(huán)節(jié)，直流濾波電容和電感在系統(tǒng)中仍占有較大空間和質量，不利于模塊的輕量化。

圖2 單向DC/DC變換型高頻逆變器拓撲結構

1.3 兩種拓撲結構的比較

對比以上兩種不同的拓撲結構可見：作為傳統(tǒng)拓撲結構的工頻隔離式輔助變流器在可靠性上具有優(yōu)勢，整體結構更加簡單可靠，但工頻變壓器的體積和質量太大，不節(jié)能，也不符合輕量化的標準，需要改進[5]。

單向DC/DC高頻逆變器，使用軟開關技術，提高了功率器件的工作頻率，使用高頻變壓器取代了工頻變壓器，變壓器占系統(tǒng)的空間大大減??；高頻化也使濾波電感和電容的體積減小，使整個系統(tǒng)的體積和質量減小，符合軌道列車輕量化的趨勢，提高了逆變器的功率密度，且更加節(jié)能和環(huán)保[6]。

表1 兩種拓撲結構的對比

2 輔助變流供電系統(tǒng)供電方式

輔助變流供電系統(tǒng)從供電方式上可分為集中供電和并網供電兩種方式。

2.1 集中供電方式

采用集中供電模式的輔助變流供電系統(tǒng)如圖3所示。每列車分為2個及2個以上的單元，每個單元由單獨的輔助逆變器供電，單元彼此沒有聯(lián)系。在正常情況下，每臺輔助逆變器單獨輸出AC 380 V電壓給本單元的負載供電。一旦有輔助逆變器發(fā)生故障，首先系統(tǒng)檢測出哪一臺逆變器發(fā)生故障，通過斷開接觸器使發(fā)生故障的逆變器與系統(tǒng)隔離；然后通過拓展接觸器將其他單元的輔助逆變器引入此單元，即一個輔助逆變器給2個單元的負載供電。但是，由于逆變器的容量不夠，在保證列車正常運行以及最大化滿足乘客舒適度的前提下，需要切除系統(tǒng)中不重要的負載，以確保輔助逆變器在額定容量范圍內運行[7]。

注：SIV為輔助逆變器

圖3 采用集中供電模式的輔助變流供電系統(tǒng)

2.2 并網供電方式

并網供電(見圖4)即每列車有多臺逆變器并網給負載供電。并網供電要求各臺逆變器的輸出電壓幅值、頻率和相位一致，否則會使逆變器之間存在環(huán)流，導致效率下降甚至整個系統(tǒng)解列崩潰。所以，并網運行對每臺逆變器的同步和控制有更嚴格的要求。

圖4 采用并網供電模式的輔助變流供電系統(tǒng)

2.3 兩種供電方式的對比

對比兩種供電方式，從表2可以看出：并網供電的性能整體上比集中供電優(yōu)越，并網供電的單臺容量更小，供電的冗余程度更好，在單臺逆變器發(fā)生故障的情況下系統(tǒng)受到的影響最小。但是，并網供電也存在一些缺陷，例如：從列車控制角度出發(fā)控制算法更加復雜，對逆變器的同步和功率分配等要求較高；同時，多臺逆變器并網整體上增加了輔助供電系統(tǒng)的質量，維修保養(yǎng)的費用也相應提高[8-9]。

表2 兩種供電方式的對比

3 未來發(fā)展趨勢

3.1 高效化

軌道列車輔助逆變器的功率密度一直是業(yè)內關注的重點，其中功率開關器件和隔離變壓器的損耗是逆變器最大的損耗。因此，要想提高輔助變流器的功率密度，必須降低兩者的損耗。其中：開關器件的損耗可以使用軟開關技術得到優(yōu)化；工頻隔離器變壓器的體積、質量大，損耗也大，可以通過高頻化使用高頻隔離變壓器來降低變壓器上的損耗。因此，通過高頻化和軟開關技術可以提高系統(tǒng)的整體功率密度，使整個系統(tǒng)高效化[10]。

3.2 模塊化

目前，逆變器模塊化程度不高，不同的輔助逆變器有著不同的電壓、電流參數(shù)，可替換性較差。若能統(tǒng)一逆變器的接口標準，統(tǒng)一電氣參數(shù),如統(tǒng)一輸入電壓、電流和輸出電壓、電流的參數(shù)指標，則可以提高系統(tǒng)的可替換性，方便安裝和維護。

3.3 輕量化

若采用高頻變壓器取代傳統(tǒng)的工頻隔離式變壓器，則系統(tǒng)的整體體積和質量都會大幅度降低，從而實現(xiàn)輕量化。除此以外，采用新材料如碳化硅或者氮化鎵的新型功率開關器件來取代傳統(tǒng)的硅基開關器件也能相應提高系統(tǒng)的輕量化。這種新材料的開關器件，在同等功率下，散熱性能比傳統(tǒng)器件有所提升，能夠節(jié)省散熱模塊的體積，從而提高系統(tǒng)的整體效率，實現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化。

4 結論

通過對比分析傳統(tǒng)工頻隔離式輔助變流器和單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器的拓撲結構，認為單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器更適合軌道列車輔助變流器系統(tǒng)。通過對比分析集中供電和并網供電兩種輔助變流供電方式，認為并網供電方式更加優(yōu)越，更適合軌道列車輔助供電系統(tǒng)。未來軌道列車輔助變流供電系統(tǒng)一定會向著高效化、模塊化和輕量化發(fā)展。