地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)論述

楊毅

（新譽(yù)龐巴迪牽引系統(tǒng)有限公司，江蘇 常州 213166）

地鐵作為現(xiàn)代城市中快速、便捷、清潔和高效的交通工具，已成為一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力、城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力、人們生活水平及現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。輔助系統(tǒng)是地鐵車輛上的一個(gè)必不可少的關(guān)鍵的電氣部分，它可為空調(diào)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、蓄電池充電器及照明等輔助設(shè)備提供供電電源。

1 地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)的組成

輔助供電系統(tǒng)主要通過輔助變流器獲得三相交流電源，利用供電干線將三相交流電源提供給各用電設(shè)備，包括充電機(jī)。再利用充電機(jī)給低壓負(fù)載供電并給蓄電池充電。在輔助變流器故障情況下，由蓄電池提供應(yīng)急電源，保證列車安全。

2 地鐵車輛輔助供電方式

目前，地鐵輔助供電供電方式，主要包括交叉供電、擴(kuò)展供電和并網(wǎng)供電。以下以一列車有兩個(gè)獨(dú)立的ACM 為列，分別介紹三種供電方式。

2.1 交叉供電

交叉供電是將每節(jié)車廂的交流負(fù)載采用分組式母線供電。正常供電的時(shí)候，每個(gè)車負(fù)載根據(jù)功率平均分為兩組，由兩個(gè)ACM 通過兩路不同供電干線對(duì)列車負(fù)載進(jìn)行供電。對(duì)于牽引和輔助的冷卻風(fēng)機(jī)等重要負(fù)載，兩個(gè)ACM 均為其供電，起到冗余作用。

2.2 擴(kuò)展供電

擴(kuò)展供電是將車輛分為兩個(gè)獨(dú)立的供電單元，僅有一路母線供電貫穿整列車。兩個(gè)ACM 均連接到母線上，中間設(shè)有一個(gè)接觸器將兩個(gè)ACM 分?jǐn)?，使其不?huì)并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)兩個(gè)ACM 正常工作時(shí)，擴(kuò)展接觸器處于斷開狀態(tài)，每個(gè)逆變器為本單元交流負(fù)載供電。當(dāng)其中一個(gè)逆變器故障時(shí)，通過控制擴(kuò)展接觸器閉合，有工作狀態(tài)良好的逆變器為整列車的交流負(fù)載供電?？紤]到逆變器的容量限制，此時(shí)，每節(jié)車的空調(diào)要減載運(yùn)行。

2.3 并網(wǎng)供電

并網(wǎng)供電同擴(kuò)展供電，僅有一路母線供電貫穿整列車，兩個(gè)ACM 同時(shí)向母線進(jìn)行供電，整列車的負(fù)載都在母線上取電。在故障的時(shí)候，故障的ACM 停止工作，由剩余的ACM向干線供電。當(dāng)故障的ACM 數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)（如：2/3 或1/2 故障），空調(diào)減載。

2.4 輔助供電方式比較

三種輔助供電方式進(jìn)行比較：

（1）并網(wǎng)供電和交叉供電負(fù)載切換方式簡(jiǎn)單，影響較小，擴(kuò)展供電影響大。

并網(wǎng)供電和交叉供電，當(dāng)ACM 故障或恢復(fù)時(shí)，負(fù)載切換由網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)判斷控制，不需要單獨(dú)設(shè)置復(fù)雜的硬件電路。擴(kuò)展供電設(shè)置了擴(kuò)展接觸器，為了不損壞擴(kuò)展接觸器，在切換過程中，需要將車輛所有ACM 停機(jī)。

圖1 并網(wǎng)供電控制圖

（2）并網(wǎng)供電和擴(kuò)展供電布線少，交叉供電復(fù)雜。

交叉供電需要在列車上布設(shè)兩路三相四線制的列車線，而并網(wǎng)和擴(kuò)展只需一路列車線，從數(shù)量上減少一半，線纜重量也減少一半，對(duì)整車減重有明顯優(yōu)勢(shì)。

（3）舒適度性，交叉供電模式ACM 故障只能啟用一半負(fù)載，而擴(kuò)展供電和并網(wǎng)供電能最大限度地利用ACM 的容量，讓更多的負(fù)載工作，為乘客提供更舒適的環(huán)境。

綜合以上比較，并網(wǎng)供電切換方式簡(jiǎn)單，布線少，能最大程度保證列車輔助系統(tǒng)運(yùn)行。目前，隨著并網(wǎng)供電方案的不斷完善，并網(wǎng)供電正在越來越多地被推廣應(yīng)用。

3 地鐵車輛輔助并網(wǎng)供電

并聯(lián)供電要求母線上三相電壓幅值，相位和頻率都要相同。所以每臺(tái)ACM 配置輔助負(fù)載接觸器，用于并網(wǎng)供電或者故障隔離。各ACM 能按照正常時(shí)序啟動(dòng)，只有電壓幅值、相位和頻率相同母線，負(fù)載接觸器閉合，達(dá)到并網(wǎng)供電，如圖1 所示。

并網(wǎng)供電要求在網(wǎng)絡(luò)正常和無網(wǎng)絡(luò)模式下都能實(shí)現(xiàn)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)正常并網(wǎng)供電

列車激活，高壓系統(tǒng)正常供電，所有ACM 啟動(dòng)自檢。自檢完成后，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)ACM 物理編碼地址，指定第1 臺(tái)ACM 為主啟動(dòng)，其余ACM 的三相輸出接觸器均保持分?jǐn)酄顟B(tài)。當(dāng)?shù)? 臺(tái)ACM1 完成啟動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)收到輔助母線激活信號(hào)，立即發(fā)送啟動(dòng)指令給下一臺(tái)ACM2（大約4s）。間隔大約1s，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送啟動(dòng)指令給下一臺(tái)ACM3（大約5s）。間隔大約1s，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送啟動(dòng)指令給下一臺(tái)ACM4（大約6s）。第2 臺(tái)ACM2 通過其自身的電壓傳感器與網(wǎng)絡(luò)交互信息，使其跟隨第一臺(tái)ACM的輸出波形，一旦實(shí)現(xiàn)同步，即閉合三相輸出接觸器，完成同步工作啟動(dòng)完成（大約8s）。第3 臺(tái)ACM3 啟動(dòng)完成（大約9s）。第4 臺(tái)ACM4 啟動(dòng)完成（大約10s），如下圖2 所示。

在并網(wǎng)過程中，作為主的第1 臺(tái)ACM 無法正常啟動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)將其隔離，同時(shí)把第2 臺(tái)ACM 作為主，按照以上時(shí)序控制進(jìn)行啟動(dòng)。當(dāng)?shù)? 臺(tái)ACM 完成并網(wǎng)后，網(wǎng)絡(luò)再次控制第1 臺(tái)ACM 作為子ACM，進(jìn)行并網(wǎng)。第2 臺(tái)ACM 無法作主，按此方法依次選主。

圖2 并網(wǎng)供電時(shí)序控制圖

圖3 帶母線接觸器的并網(wǎng)供電控制

3.2 無網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)供電

無網(wǎng)絡(luò)指定主和控制并網(wǎng)時(shí)序時(shí)，一般有兩種方式來實(shí)現(xiàn)：

第一種，采用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，即“誰先誰主”的模式。當(dāng)列車激活，高壓系統(tǒng)正常供電，選定第一臺(tái)向中壓母線輸出的ACM 為主，后續(xù)其他ACM 將通過連接在三相輸出接觸器上和下級(jí)的兩組電壓傳感器進(jìn)行比較，（上級(jí)電壓傳感器檢測(cè)ACM 自身的輸出波形，下級(jí)電壓傳感器則是檢測(cè)中壓母線的波形），以確定自身輸出是否已與中壓母線的電壓波形同步，一旦完成同步，由輔助逆變控制器發(fā)出三相輸出接觸器吸合指令，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。其他ACM 的啟動(dòng)時(shí)序不受物理控制，只根據(jù)并網(wǎng)條件有關(guān)。

第二種，主機(jī)和從機(jī)啟動(dòng)順序的選擇應(yīng)取決于MVB 總線的設(shè)備的地址。當(dāng)列車激活，高壓正常供電，第1 臺(tái)ACM 被指定主，進(jìn)行正常單啟動(dòng)。剩余的ACM 檢查依次設(shè)置延遲時(shí)間后啟動(dòng)。

如果在第1 臺(tái)ACM 不能成功啟動(dòng)，過30s 后，此ACM 要離開它的主狀態(tài)。第2 臺(tái)ACM 作為主啟動(dòng)之前，需要用30s時(shí)間來核實(shí)備用模式信號(hào)是否激活或在5s 內(nèi)是否有電壓（＜50V）。其他ACMs 按上面所述的方法，檢查三相總線是否滿足，然后，再進(jìn)行并網(wǎng)。第1 臺(tái)ACM 還將試圖以子逆變器試圖進(jìn)行同步。

3.3 帶母線接觸器的并網(wǎng)供電

為了避免當(dāng)母線發(fā)生短路故障，無法隔離故障母線，導(dǎo)致整車輔助供電系統(tǒng)癱瘓，會(huì)在輔助母線上增加接觸器。母線接觸器的位置可直接加在列車的中間，可隔離發(fā)生半列車短路母線，如圖3 所示。

母線接觸器也可以設(shè)置多個(gè)，設(shè)置在母線的不同位置，提高母線的可用性。當(dāng)然，隨著接觸器的增多，控制的方法會(huì)變得更加復(fù)雜。

4 結(jié)語

本文主要研究了地鐵車輛的輔助供電系統(tǒng)，分析了輔助供電系統(tǒng)的幾種方式，并比較了幾種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，具體闡述了車輛輔助并網(wǎng)供電的控制方式。但是，對(duì)于帶母線接觸器控制的并網(wǎng)控制，還需要進(jìn)一步研究。