地鐵車輛直接逆變輔助供電系統(tǒng)

呂 龍 韓 霜 常振臣

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062,長春∥第一作者，工程師)

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地鐵車輛直接逆變輔助供電系統(tǒng)

呂 龍 韓 霜 常振臣

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062,長春∥第一作者，工程師)

分析了幾種地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點,結(jié)合實際地鐵車輛車載輔助供電系統(tǒng)的功能需求,介紹了一種結(jié)構(gòu)簡單的輔助供電系統(tǒng)。車輛運行試驗結(jié)果表明,這種輔助供電系統(tǒng)能夠滿足地鐵車輛運行需求,具有較高的推廣價值。

地鐵車輛; 輔助供電系統(tǒng); 拓撲結(jié)構(gòu); 直接逆變

Author′s address CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd.，130062，Changchun，China

輔助供電系統(tǒng)作為地鐵車輛的重要組成部分,能滿足空調(diào)機組、空壓機、照明設(shè)備、蓄電池等交直流設(shè)備的用電需求。輔助供電系統(tǒng)的優(yōu)良可靠關(guān)系到列車的安全運營,同時還與乘車舒適性密切相關(guān)。隨著地鐵車輛運輸質(zhì)量的提高,車載輔助供電系統(tǒng)技術(shù)方案逐漸多樣化,技術(shù)指標和可靠性要求也越來越高。本文結(jié)合實際地鐵項目,對直接逆變輔助供電系統(tǒng)進行了研究。

1 輔助供電系統(tǒng)

地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)有雙逆變器型和單逆變器型兩種型式。

雙逆變器型包括串聯(lián)型與并聯(lián)型。其中，具有代表性的是串聯(lián)雙逆變器型,香港地鐵TGF4系列輔助供電系統(tǒng)和廣州地鐵1號線均采用這種拓撲結(jié)構(gòu)(如圖1所示)[1-2]。雙逆變器型輔助供電系統(tǒng),采用12脈沖PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制方案,輸出電壓為12階梯波,輸出諧波含量較小,開關(guān)頻率僅為基波的3～5倍。較低的開關(guān)頻率有效提升了逆變器的工作效率。然而串聯(lián)雙逆變器型輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率器件多。當兩臺逆變器串聯(lián)時,同步控制12脈沖難度大,對動態(tài)均壓的要求高。其變壓器設(shè)計制造復(fù)雜,電路疊加DZ型變壓器次邊繞組曲折連接,磁路疊加的變壓器2個原邊繞組由不同相位的電壓分別輸入,電磁設(shè)計復(fù)雜[3-4]。

圖1 串聯(lián)雙逆變器型輔助供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

單逆變器型有先升/降壓穩(wěn)壓后逆變型和直接逆變型。地鐵車輛率先應(yīng)用的是先升/降壓穩(wěn)壓后逆變型輔助供電系統(tǒng)(如圖2所示)。圖2中，CHO(升降壓器)在接觸網(wǎng)電壓波動時能穩(wěn)定逆變器INV的輸入電壓。CHO的逆變方式主要有斬波降壓逆變方式、兩重斬波降壓逆變方式和升降壓斬波逆變方式[4]。單逆變器型輔助供電系統(tǒng)的功率器件少,PWM控制方案簡單,通過優(yōu)化PWM控制同樣可以使諧波含量達到要求；其變壓器結(jié)構(gòu)簡單,逆變器輸出經(jīng)濾波后進一步降低了諧波含量,系統(tǒng)可靠性較高。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)為代表的功率器件開關(guān)頻率得到了大幅提升,PWM技術(shù)也不斷優(yōu)化。在網(wǎng)壓和負載變化的情況下,采用優(yōu)化的PWM控制算法,完全能夠?qū)⒛孀兤鞯妮敵龇€(wěn)定控制在一定范圍內(nèi)。而CHO的穩(wěn)壓作用不再明顯，進而逐漸被設(shè)計者忽略。于是衍生出直接逆變輔助供電系統(tǒng)。

相對于雙逆變器型輔助供電系統(tǒng),直接逆變輔助供電系統(tǒng)具有單逆變器型的結(jié)構(gòu)簡單可靠、PWM控制方案易于實現(xiàn)等優(yōu)點。較先升/降壓后逆變的單逆變器型輔助供電系統(tǒng),直接逆變輔助供電系統(tǒng)省去了CHO,其拓撲結(jié)構(gòu)進一步簡化,成本和可靠性性都得到了優(yōu)化。直接逆變輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 先升/降壓穩(wěn)壓后逆變型單逆變器輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 直接逆變型輔助供電系統(tǒng)拓補結(jié)構(gòu)圖

2 直接逆變輔助供電系統(tǒng)技術(shù)方案

某國內(nèi)地鐵項目采用6動2拖的地鐵列車。列車由2個單元組成。其中3動1拖為1個列車單元。每個列車單元擁有1臺輔助供電系統(tǒng),分別安裝在拖車TC1和TC2上。列車采用集中供電方式提供三相四線制交流380 V、50 Hz電源和直流110 V電源。當其中1個單元輔助供電系統(tǒng)發(fā)生故障時,另1個單元的輔助供電系統(tǒng)通過擴展供電向整列列車供電。此時，列車以減載模式運行,能滿足基本的運營需求。當接觸網(wǎng)供電中斷時,集成的蓄電池充電器以逆變模式運行,其直流蓄電池電能經(jīng)逆變處理后驅(qū)動應(yīng)急負載,可最大限度地保證乘車的舒適度和安全性。

為實現(xiàn)上述功能,直接逆變輔助供電系統(tǒng)包含輸入電路、三相逆變器、隔離變壓器和輸出AC濾波器及蓄電池充電器4部分(如圖4所示)。

圖4 直接逆變型輔助供電系統(tǒng)

2.1 輸入電路

根據(jù)EN 50163及IEC 60850標準,輔助供電系統(tǒng)的直流輸入電壓要求為:額定線路電壓為DC 1 500 V，持續(xù)工作最大持久線路電壓為DC 1 800 V，持續(xù)工作最小持久線路電壓為DC 1 000 V，最大非持久線路電壓為DC 2 000 V。

接觸器(CCK)和限流電阻(CCZ)組成預(yù)充電電路。輔助逆變器啟動時,閉合CCK,CCZ能夠抑制啟動時的電流沖擊,啟動完成后，斷開預(yù)充電CCK,閉合線路接觸器(LIK)。輔助逆變器停機或發(fā)生故障時,LIK自動切斷輔助逆變器與主電路的連接。

電感(L-FL)和電容(C-FL)組成濾波電路,對輔助逆變器進行電壓沖擊保護,以提供穩(wěn)定的直流電源,同時具有限制線路諧波的作用。

2.2 三相逆變器

三相PWM逆變器可將線路電壓轉(zhuǎn)換為三相四線制交流380 V輸出。接觸網(wǎng)電壓波動時,輔助供電系統(tǒng)輸出的交流電壓應(yīng)能滿足要求(380(1±5%)V,50 Hz)，故將三相逆變器的輸出電壓反饋,進行閉環(huán)PWM控制。三相逆變器的閉環(huán)PWM控制原理如圖5所示。三相逆變器檢測輔助供電系統(tǒng)輸出的三相電壓,并反饋給控制單元,與給定電壓值進行比較,從而得到電壓偏差；電壓偏差經(jīng)電壓控制器調(diào)節(jié)后,與電流反饋信號共同作為PWM生成器的輸入信號;一旦產(chǎn)生電壓偏差信號,閉環(huán)控制電路就進行調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號,并向著減小誤差的方向控制逆變器開關(guān)器件的導通與關(guān)斷；最終使逆變器的輸出滿足設(shè)計要求。

圖5 三相逆變器控制原理

a2.3 隔離變壓器和輸出AC濾波器

三相變壓器用于實現(xiàn)線路電壓和逆變器輸出之間的電氣隔離。AC濾波器由隔離變壓器和1臺三相電容器組成,可將PWM方波電壓轉(zhuǎn)化為正弦波,從而使負載電流近似正弦曲線。

2.4 蓄電池充電器

蓄電池充電器(見圖6)為列車的直流負載提供110 V電源,同時保證在緊急模式下(如接觸網(wǎng)供電中斷)向應(yīng)急負載供電。其結(jié)構(gòu)包括1個TPCR(用于將三相電壓變換成DC 110 V電壓)和1個輸出二極管(用來實現(xiàn) DC 110 V非永久母線與蓄電池的并聯(lián))。

圖6 蓄電池充電器

當2臺輔助供電系統(tǒng)正常工作時,列車上所有DC 110 V負載全部由蓄電池充電器供電,蓄電池處于浮充電狀態(tài)。當只有1臺輔助供電系統(tǒng)正常工作時,正常的輔助系統(tǒng)為整列列車供電,而蓄電池不承受額外負荷。上述兩種工況下,蓄電池充電器均工作在整流模式,輸出DC 110 V為列車直流負載供電，且蓄電池處于浮充電狀態(tài)。當接觸網(wǎng)高壓供電中斷時,蓄電池的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?以向應(yīng)急負載供電。

3 試驗結(jié)果與分析

在該項目地鐵車輛上進行試驗,并以列車數(shù)據(jù)記錄儀(ERM)對試驗數(shù)據(jù)進行記錄。每個列車單元中，空調(diào)機組、司機室通風機、空壓機、客室幅流風機、電熱系統(tǒng)、方便插座等設(shè)備采用三相四線制的AC 380 V供電;蓄電池、低壓控制系統(tǒng)等設(shè)備采用DC 110 V供電;刮雨器、前照燈、DC 24 V電壓表等采用DC 24 V供電。通過合理的載荷預(yù)算，并考慮一定的裕量,可確定每個列車單元輔助供電系統(tǒng)的額定容量。

輔助供電系統(tǒng)容量確定以后,還需對直接啟動的負載(例如空調(diào)系統(tǒng)壓縮機和制動系統(tǒng)空壓機)進行順序啟動控制,以免負載沖擊電流的疊加損壞輔助供電系統(tǒng)。

ERM監(jiān)視車輛運行工況得到的試驗數(shù)據(jù)如圖7所示。其中，區(qū)間A對應(yīng)TC1和TC2車輔助供電系統(tǒng)均正常工作的情況,此時ERM監(jiān)視的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

在區(qū)間B中,模擬TC2車輔助系統(tǒng)發(fā)生故障,系統(tǒng)自動斷開TC2車交流輸出接觸器(AOIK)，切斷與外部電路的電氣連接(如圖7曲線⑥所示)。此時，TC2車交流輸出線電壓幾乎為0(如圖7曲線②所示),由TC1的輔助系統(tǒng)為整列車提供交流電,使車輛維持基本運行。

由區(qū)間C的運行工況可見,TC2車輔助系統(tǒng)正常工作一段時間(如圖7曲線⑧所示)后,排除故障AOIK能再次閉合(如圖7曲線⑥所示),TC2車輔助系統(tǒng)也能重新投入使用(如圖7曲線②所示)。

圖7 ERM對試驗結(jié)果的記錄截圖實景

4 結(jié)語

直接逆變輔助供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn),采用閉環(huán)PWM控制方案,能夠使輔助供電系統(tǒng)交直流輸出滿足設(shè)計要求。當1個列車單元的輔助供電系統(tǒng)發(fā)生故障時,另1列車單元的輔助系統(tǒng)可為整列列車供交流電,使列車能夠維持基本的運行。這種方式提升了車輛運營的可靠性。車輛的試驗結(jié)果表明，直接逆變輔助供電系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計要求，且具有較高的推廣價值。

[1] 趙清良.地鐵車輛靜止變流器[J].電力機車與城軌車輛,2003,26(4):77-79.

[2] 唐春林,陳春棉.城市軌道交通列車輔助供電系統(tǒng)分析[J].電氣開關(guān),2008(1):12-15.

[3] 王鑫,趙清良.地鐵車輛輔助逆變器的設(shè)計與仿真[J].機車電傳動,2006(4):43-46.

[4] 李紅,左鵬,劉偉志,等.地鐵車輛輔助逆變電源分析研究[J].中國鐵道科學,2004,25(1):52-55.

倫敦地鐵周末通宵運營終成現(xiàn)實 首日5萬民眾使用

倫敦市長薩迪克·汗登上維多利亞線第一班夜間地鐵，他說倫敦地鐵通宵運營是一個令人振奮的消息，它將使倫敦經(jīng)濟獲益，并帶來成千上萬的工作機會。在經(jīng)歷了多年的延期后，倫敦地鐵通宵運營終于成為現(xiàn)實。自上周六(8月20日)開通以后，大約有5萬英國民眾使用了倫敦地鐵夜間運行服務(wù)。首日的夜間運行相當順利。雖然清潔工已準備好了應(yīng)付最糟糕的情況，但乘客們表現(xiàn)普遍良好。一位乘客指出，倫敦標榜自己是全天候不夜城，而實際上倫敦地鐵通宵運營才使這一口號變成現(xiàn)實。據(jù)估計，倫敦有超過70萬人上夜班。這些人中包括了醫(yī)生、護士、保安和酒吧服務(wù)員。一旦地鐵通宵運營服務(wù)全面展開，大約20萬人會在周末使用該服務(wù)。地鐵通宵運營受到了商界的強烈支持，英國最大的酒吧行業(yè)協(xié)會負責人指出，英國退歐公投后經(jīng)濟環(huán)境變差，地鐵通宵運營不僅會使他們的顧客受益，也會讓酒吧和酒吧員工受益。為應(yīng)付可能出現(xiàn)的突發(fā)事件，倫敦警察局增派了100名警力在地鐵站以及地鐵列車上維持秩序。雖然政府為此可能多花費超過100萬英鎊，但與收益相比還是相當劃算。據(jù)相關(guān)團體估計，地鐵通宵運營在2029年前每年將會為倫敦帶來7千多萬英鎊的收益。

(摘自2016年8月23日FX168財經(jīng)網(wǎng))

Direct Inverter Auxiliary Power Supply System for Metro Vehicles

Lü Long, HAN Shuang, CHANG Zhenchen

Several topology structures of auxiliary power supply system for metro vehicles, including their advantages and disadvantages are analyzed. Combined with the actual demands of auxiliary power supply system for metro vehicle, a new auxiliary power supply system with simplified topology structure is introduced. The testing operational results indicate that this kind of auxiliary power supply system could meet the demands of vehicle operation, and has a higher value for application.

metro vehicle; auxiliary power supply system; topology structure; direct inverter.

U 266.25+6;TM 464

10.16037/j.1007-869x.2016.09.029

2014-12-02)