動(dòng)車(chē)組蓄電池供電的應(yīng)急牽引系統(tǒng)

陳東

摘要：為解決當(dāng)動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中，由于弓網(wǎng)故障或高壓設(shè)備故障導(dǎo)致無(wú)法從接觸網(wǎng)取電運(yùn)行時(shí)，提出了一種高速動(dòng)車(chē)組蓄電池供電的應(yīng)急牽引技術(shù)方案，介紹了動(dòng)車(chē)組車(chē)輛參數(shù)及性能要求，闡述了牽引系統(tǒng)組成、牽引制動(dòng)特性、運(yùn)行控制方案等。通過(guò)開(kāi)展整車(chē)蓄電池應(yīng)急牽引試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性及性能

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車(chē)組;蓄電池;牽引變流器;雙向充電機(jī);應(yīng)急牽引

1 引言

目前國(guó)內(nèi)所有高速動(dòng)車(chē)組的牽引傳動(dòng)完全依賴(lài)于接觸網(wǎng)供電，在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)弓網(wǎng)故障或高壓設(shè)備故障時(shí)，動(dòng)車(chē)組只能等待機(jī)車(chē)救援至最近的車(chē)站清客，一旦發(fā)生此類(lèi)事故，不僅會(huì)造成同一線(xiàn)路的動(dòng)車(chē)組運(yùn)行大范圍延誤，而且在這段時(shí)間內(nèi)，乘客的安全是無(wú)法保障的，極有可能引起不必要的恐慌[1]。如果此時(shí)能夠利用動(dòng)車(chē)組車(chē)載蓄電池實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組應(yīng)急牽引，當(dāng)發(fā)生高壓中斷情況時(shí)，就能保證列車(chē)能夠平穩(wěn)運(yùn)行至下一個(gè)供電區(qū)間，讓列車(chē)具備不間斷供電能力，將很大程度上提高高速動(dòng)車(chē)組的運(yùn)用靈活性和可靠性，目前，蓄電池供電的應(yīng)急牽引技術(shù)項(xiàng)目的應(yīng)用環(huán)境多數(shù)為地鐵車(chē)輛出庫(kù)時(shí)或簡(jiǎn)單調(diào)車(chē)時(shí)，且運(yùn)行速度通常低于5km/h[2]，動(dòng)車(chē)組蓄電池供電應(yīng)急牽引較高速運(yùn)行（大于30km/h）功能在軌道交通行業(yè)是個(gè)新課題[3]。因此，研究蓄電池緊急牽引功能在動(dòng)車(chē)組上的應(yīng)用具有很強(qiáng)的實(shí)用性以及重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)高速動(dòng)車(chē)組在接觸網(wǎng)無(wú)電或高壓系統(tǒng)故障的緊急工況，提出了基于車(chē)載蓄電池的高速列車(chē)應(yīng)急牽引系統(tǒng)方案，對(duì)牽引系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，同時(shí)綜合考慮了列車(chē)的牽引/制動(dòng)特性、運(yùn)行速度/時(shí)間要求以及蓄電池能力等限制，提出高速列車(chē)自走行方案。

2系統(tǒng)概述

以國(guó)內(nèi)某型高速動(dòng)車(chē)組為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)，該型動(dòng)車(chē)組為動(dòng)力分散式電動(dòng)車(chē)組，牽引系統(tǒng)主要由牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)等組成，車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)如下：

動(dòng)車(chē)組正常情況下由接觸網(wǎng)供電，動(dòng)車(chē)組受電弓從AC25kV接觸網(wǎng)獲取電能，通過(guò)牽引變壓器降壓輸出單相交流電供給整流器，整流器將單相交流變換成直流電經(jīng)中間直流電路輸出給逆變器，逆變器輸出三相VVVF交流電供給異步牽引電動(dòng)機(jī)。同時(shí)變流器內(nèi)部集成輔助變流器的功能，從牽引輔助變流器中間直流回路取電，將直流電壓變換為3相AC 380V/50Hz電壓，為動(dòng)車(chē)組輔助負(fù)載、雙向充電機(jī)提供電源，并由雙向充電機(jī)向蓄電池充電。

在動(dòng)車(chē)組高壓供電異常時(shí)，司機(jī)操作發(fā)出蓄電池應(yīng)急牽引信號(hào)至牽引變流器、雙向充電機(jī)、蓄電池，雙向充電機(jī)從DC110V蓄電池取電，開(kāi)始向輔助母線(xiàn)提供3相380V電源，通過(guò)輔助變壓器升壓，經(jīng)輔助逆變器整流后形成中間電壓，后經(jīng)逆變器輸出驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)工作。

2.1 蓄電池方案

蓄電池采用了成熟度高、安全性較高、循環(huán)壽命長(zhǎng)的鈦酸鋰電池。電池系統(tǒng)由鈦酸鋰電池模組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、充放電回路、牽引回路等組件構(gòu)成。BMS具備單體電池電壓和溫度等信號(hào)檢測(cè)、與充電機(jī)RS485通訊以及輸出接觸器控制功能，保證電池不出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電。

2.2雙向充電機(jī)方案

雙向充電機(jī)由3AC/DC+DC/DC、輸入LC低通濾波、輸出濾波等環(huán)節(jié)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。正向輸出DC110V時(shí)：將輔助變流器輸出的3AC380V交流電作為雙向充電機(jī)的輸入，經(jīng)過(guò)PWM整流、直流濾波得到直流電，再經(jīng)過(guò)雙向全橋DC/DC變換輸出可控的DC110V直流電。反向逆變輸出3AC380V時(shí)：電池輸出的DC110V直流電作為充電機(jī)的輸入，在每個(gè)功率模塊內(nèi)部經(jīng)過(guò)雙向全橋DC/DC變換輸出可控的高壓直流電，再經(jīng)過(guò)逆變橋、LC低通濾波輸出可控的3AV380V交流電。如圖2-3所示。

3 動(dòng)車(chē)組蓄電池牽引控制策略

受限于蓄電池應(yīng)急牽引方案，雙向充電機(jī)供電電壓及能力，需要對(duì)蓄電池應(yīng)急牽引運(yùn)行模式進(jìn)行特殊控制。

3.1 動(dòng)車(chē)組蓄電池牽引運(yùn)行最大速度控制

當(dāng)輔助變流器輸入電壓為三相AC380V時(shí)，經(jīng)過(guò)輔助變壓器升壓、輔變模塊不控整流后，牽引變流器空載運(yùn)行時(shí)牽引變流器中間直流電壓理論值計(jì)算為：

考慮到牽引系統(tǒng)以最大功率輸出時(shí)的壓降、輸入三相電壓波動(dòng)等因素，中間直流電壓值按1500V考慮。

根據(jù)三相橋式逆變電路基波電壓計(jì)算公式，1500V中間直流電壓能夠輸出的最大基波有效值為：

在不改變電機(jī)特性的情況下，為保證動(dòng)車(chē)組正常高壓供電時(shí)電機(jī)特性不受影響。根據(jù)動(dòng)車(chē)組電機(jī)的VF特性曲線(xiàn)對(duì)牽引變流器最大輸出電壓進(jìn)行校核，動(dòng)車(chē)組最高運(yùn)行速度為86km/h。

在蓄電池應(yīng)急牽引時(shí)，當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度超過(guò)80km/h，牽引變流器停止工作，車(chē)輛轉(zhuǎn)為惰行運(yùn)行。

3.2 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行模式控制

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程可由牽引、恒速、惰行及制動(dòng)組成，根據(jù)列車(chē)優(yōu)化操縱的理論分析，綜合考慮線(xiàn)路約束條件，尋找最優(yōu)惰行點(diǎn)或制動(dòng)點(diǎn)，最優(yōu)操縱序列可由以上4種工況組合而成，全力牽引與全力制動(dòng)工況可減少列車(chē)能耗并保證行車(chē)效率[7]。

動(dòng)車(chē)組蓄電池應(yīng)急牽引過(guò)程中，能量主要消耗在牽引供電、交流輔助負(fù)載和直流負(fù)載，理論上動(dòng)車(chē)組最低速度運(yùn)行時(shí)可減小牽引能耗，但由于運(yùn)行時(shí)間變長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致交流輔助和直流負(fù)載的能耗增大，需要選取一個(gè)合適的運(yùn)行方式，使得動(dòng)車(chē)組運(yùn)行全程能耗最小。能耗計(jì)算的主要方法是首先建立以動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)的列車(chē)運(yùn)行模型，再利用積分求得運(yùn)行全程的蓄電池能耗，然后通過(guò)數(shù)值方法對(duì)模型進(jìn)行結(jié)算，最終獲得最小能耗速度曲線(xiàn)。

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可以描述為：

式中的狀態(tài)變量分別代表動(dòng)車(chē)組行駛時(shí)的距離、速度和加速度。

建立動(dòng)車(chē)組蓄電池牽引下，最小能耗模型：

為了確定最優(yōu)運(yùn)行方式，對(duì)積分形式的狀態(tài)方程進(jìn)行離散化處理，使用梯形求積公式進(jìn)行求解。

對(duì)蓄電池供電應(yīng)急牽引工況下動(dòng)車(chē)組典型運(yùn)行線(xiàn)路5‰坡道5km+15km平直道進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)不同的運(yùn)行模式、30km/h～80km/h不同的恒速速度設(shè)置值及不同恒速工況策略等兩大類(lèi)進(jìn)行仿真。

當(dāng)設(shè)置仿真步長(zhǎng)為1m，選取最大牽引全程運(yùn)行和不同的恒速運(yùn)行速度點(diǎn)，仿真結(jié)果顯示動(dòng)車(chē)組在最大牽引+恒速50km/h時(shí)最節(jié)能。

4 動(dòng)車(chē)組蓄電池應(yīng)急供電牽引系統(tǒng)邏輯控制

應(yīng)急牽引系統(tǒng)控制流程圖如附圖4-1所示，具體控制邏輯如下：

①司機(jī)操作蓄電池應(yīng)急供電開(kāi)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TCMS）對(duì)應(yīng)急供電信號(hào)進(jìn)行采集，確認(rèn)有效后將應(yīng)急模式信號(hào)傳送給充電機(jī)、牽引變流器。

②充電機(jī)接收到網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的蓄電池應(yīng)急供電模式指令后，斷開(kāi)充電機(jī)正常工況時(shí)的電路輸入，保證三相輸入側(cè)的輸入接觸器斷開(kāi)，避免三相母線(xiàn)有電后，充電機(jī)的三相輸入側(cè)電路啟動(dòng)。

③牽引變流器收到蓄電池應(yīng)急供電模式指令后，立即封鎖四象限整流和輸入接觸器K，轉(zhuǎn)入蓄電池牽引模式，等待應(yīng)急牽引就緒指令。

④網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)急牽引模式后延時(shí)3秒對(duì)所有蓄電池電流、電壓進(jìn)行采集和判斷，確認(rèn)是否滿(mǎn)足應(yīng)急供電模式。

⑤④雙向充電機(jī)收到蓄電池牽引就緒指令后，啟動(dòng)逆變功能，給牽引變流器提供3AC380V電源;牽引變流器收到蓄電池牽引就緒指令，判斷雙向充電機(jī)已正常輸出后，響應(yīng)司機(jī)牽引行車(chē)的指令。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在動(dòng)車(chē)組整車(chē)試驗(yàn)中開(kāi)展蓄電池供電的應(yīng)急牽引試驗(yàn)，在試驗(yàn)中蓄電池、充電機(jī)、牽引變流器、牽引電機(jī)可正常工作，動(dòng)車(chē)組蓄電池應(yīng)急牽引功能滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組運(yùn)用要求，動(dòng)車(chē)組最高運(yùn)行速度超過(guò)70km/h。同時(shí)在試驗(yàn)中開(kāi)展動(dòng)車(chē)組節(jié)能運(yùn)行策略進(jìn)行研究。分別開(kāi)展目標(biāo)速度為70km/h、60km/h 、50km/h的蓄電池應(yīng)急牽引試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明恒定速度50km/h節(jié)能效果最好。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種高速動(dòng)車(chē)組蓄電池應(yīng)急牽引系統(tǒng)方案，通過(guò)蓄電池、雙向充電機(jī)、牽引變流器匹配設(shè)計(jì)，蓄電池應(yīng)急牽引模式下動(dòng)車(chē)組最高運(yùn)行速度達(dá)到70km/h，運(yùn)行里程超過(guò)24km，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了高速動(dòng)車(chē)組蓄電池應(yīng)急牽引。該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)技術(shù)驗(yàn)證，目前已批量運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。

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