地铁辅助电源系统的设计指南

朱正暘，杨喜军

0 引言

随着电力电子技术的不断革新以及在轨道交通行业新兴技术的成熟运用，人们在环保方面的要求也越来越高，那种以煤炭为燃料，高碳排放的时代将逐步被淘汰，取而代之的是高效率高性能的电力电子设备。城轨列车的电源来源于城市轨道交通高压电网，这就需要大量地运用电力电子变换技术，实现电能的高效转换。针对城轨交通的供电网络，其额定工作电压主要有两种：1500Vdc 和750Vdc。而车载电气设备的主流供电等级为：110Vdc。这就需要相关的直流变换设备，既作为车载供电电源，又作为车载蓄电池充电机，来满足紧凑型的设计需求。常规的车载蓄电池充电机通常采用三相交流电源供电方式，应用二极管进行不控整流器，现在这种传统的方式依然在用。但是随着故障率高等缺点的逐步暴露：充电性能差，影响蓄电池的使用寿命。以及对于城轨列车来讲：此种蓄电池充电机是建立在静止逆变器（SIV）作为前置输入电路，一旦其在运营中出现故障，蓄电池充电机也将无法正常工作。所以，一种直接转换直流电压的DC/DC 变流器，并运用IGBT 开关以及PWM调制控制的新产品就非常有必要，其经济价值、稳定性以及高效率也是得到了市场的认可。

本文主要介绍目前轨道交通行业最常规的辅助电源系统的设计理念以及在例行设计中组件的优化和需要考虑的因素，对于其电路拓扑，其主要的电路拓扑和模块分为，如图1所示：

1)输入单元

2)输入滤波单元

3)逆变单元

4)隔离变压器单元

5)输出滤波单元

6)输出接触器

7)蓄电池充电单元

8)控制单元

图1 辅助电源系统总拓扑

1 电路拓扑

1.1 电源电路拓扑

辅助变流器电性能的要求取决于客户要求的电气和机械环境，其主要影响组件选型和辅助变流器的设计的因素如下：

1.1.1 输入特性

输入电源的类型（AC 或DC）；

预期的输入电压范围；

功率因数校正需求（交流电源）；

输入来源（城轨架空线或者三轨供电网）

1.1.2 输出要求

输出电源的类型和数量（AC 或DC）；

连续输出额定功率；

输出功率浪涌额定值（交流输出）；

电池充电器独立控制需求性；

电气隔离性需求

1.1.3 系统要求

重量性需求（高频桥路或强制风冷）；

轨道信号系统特殊需求性（影响桥路、逆变器、电池充电器电路的开关频率，输入滤波器）；

机械条件限制（强迫风冷，散热总成）；

冗余的要求（可靠性要求，在实际地铁的运营中，某些故障，不允许影响正常的运营需求）

1.2 系统输入级

对于所有直接连接到供电线路的辅助变流器，建议使用带输入滤波单元（电抗器和电容器）的预充电电路，以便在承受瞬时冲击电流和线路瞬变时限制IGBT 和电容器的端电压。如果采用直接连接到牵引电路，在设计时，必须采用去耦电感来抑制两个滤波单元之间的振荡现象。

对于 750Vdc 三轨供电系统，逆变器和蓄电池充电器电路可直接连接到滤波器输出。

某些情况下，对于重量有严格限制的750Vdc 和1500Vdc 系统，可使用高频变流器连接到输入滤波器，生成隔离的固定线路电压，为逆变器和蓄电池充电器充电，这种方式，即考虑到取消辅助电源系统的隔离变压器，从而减小重量。

对于输入滤波单元，即考虑电抗器的感抗和电容器的容抗数值，必须考虑以下方面：

EMC 要求（线路中生成的谐波）；

输入电路阻抗（如果具有感抗限制的要求）；

共振频率（电路是否会以电路中其他部件使用的频率产生共振）；

线路瞬变时输入电路组件的电压；

紧急关闭时电压过冲；

输入滤波器电容器的电压纹波和阈值；

输入滤波器电感器的饱和曲线（电感器饱和时，是否会存在负载瞬变问题）；

滤波器电容器的 RMS 电流；

不同辅助功能可能使用相同的输入滤波器；

1.3 输入变流器（如果必要）

通常在轨道交通辅助系统中的变换器有三种类型：

DC/DC 变流器；

降压斩波器；

PMCF 变换器；

本文主要讨论的为轨道交通系统中，最常见的DC/DC 变流器。其DC/DC 变换器的最主要组成部分如下：

高频桥路；

隔离变压器；

输出二极管；

输出滤波电感

对于高频桥路的设计中，其主要的影响和考虑因素如下：

额定功率（对于IGBT 开关元件的电压和电流以及连续值和浪涌值）；

额定电压；

冷却方式（强迫、自然风冷或者水冷）；

散热器的大小（散热效率和维护要求）；

开关频率（轨道电路和车辆整体EMC 限制）

对于隔离变压器，在选型和设计时，其主要影响和考虑因素如下：

额定功率；

绕组线比（线电压和所需电压）；

开关频率；

噪音要求（频率噪声）；

对于输出二极管，其主要的影响因素如下：

额定功率（电压和电流，连续和浪涌）；

冷却方式（散热器配合）；

开关频率；

是否需要缓冲组件；

对于线路滤波电抗器，其主要的设计影响因素如下：

额定电流（连续和浪涌）；

耐热性能；

绝缘性能

1.4 逆变单元

在逆变器电路设计中，隔离变压器并不是必须的（取决于是否使用高频变流器或电气隔离要求，或者取决于输入/输出电压）。

如果逆变器电路的输入电压较低 (400V– 500Vdc)且 AC 输出电压要求为 400Vph-ph，则必须要有升压变压器。

对于 750Vdc 系统，可直接将逆变器和蓄电池充电器作为输出级。

如果逆变器的输入电压较高 (1500V-1800V DC)，则必须要有输出滤波器（降低应用到负载的峰值电压）。输出电压器可提供电气隔离，必要时，可降低逆变器的电流

对于逆变电路的影响和考虑因素如下：

额定功率（电压和电流，连续和浪涌）；

开关频率（EMC 要求和散热损失）；

冷却方式；

散热器的大小；

电容值（与滤波电抗器共同组成滤波单元）；

负载的启动特性和启动顺序；

对于输入滤波单元的设计时，主要考虑的影响因素如下：

交流输出电压失真度（感抗和容抗值）；

额定功率（连续和浪涌情况的饱和）；

电抗器和电容器的谐波电流；

对于输出变压器的设计时，主要考虑的影响因素如下：

额定功率（连续和浪涌）；

绕组匝数比；

泄漏电感；

谐波电流

1.5 充电机电路

蓄电池充电器电路可以是使用全桥电桥受控电路，或者是三相整流器电路连接到三相输出形成的电路。第二个选项的控制方法可以是控制 DC 输出，然后 AC 输出保持在所有负载和线路电压条件范围内。在某些情况下，当输入电源已隔离时，可使用降压斩波器。

对于充电机的桥式电路设计的主要影响因素如下：

额定功率（电压和电流，连续和浪涌）；

开关频率（EMC 要求和散热器损耗）；

冷却方式；

散热片的大小；

电容值（滤波单元）；

对于充电机单元中的输入变压器设计的主要影响因素如下：

额定功率（连续和浪涌额定值）；

绕组匝数比；

漏点感；

谐波电流；

对于充电机的滤波单元设计的主要影响因素如下：

DC 输出电压和电流纹波的要求（电感器和电容器的值）；

额定功率（连续额定电流和浪涌负载时饱和特性）

2 输入电路

对于直接从线路电压供电时，通常需要相关的输入电路（例如：图2：预充电电路）。如果连接到牵引滤波器，则不要相应的预充电和线路电抗器，如图2所示：

图2 预充电电路拓扑

2.1 预充电电路

对于输入电路中，常常配备主接触器和预充电接触器，其设计原则在于：

额定电压（这通常指输入的最大预期电压）；

分断电流；

闭合电流；

线圈电压；

辅助触头；

对于预充电电阻的设计标准是：电阻值。这取决于输入电路的后置电路中的滤波电容，其端电压的上升时间，需要通过阻容特性来匹配。

在此，举一个典型的例子，来说明对于预充电电阻的工作情况。对于电压上升，如图3所示：

图3 预充电电压升压特性

2.2 输入滤波电抗器

对于输入级电路，线路电抗器和线路电容器共同组成了输入滤波器。电感器的标称值可能取决于系统的某些要求。例如，输入阻抗的限制或信号系统的要求。

如果客户对输入滤波器没有约束条件，则建议值应保证输入滤波器的共振频率低于100Hz。这是因为逆变器输出电路的频率通常为50Hz。交流负载的失衡可导致输入过滤器电容器产生100Hz的纹波，如果输入滤波器的共振频率接近100Hz，则输出纹波会被放大。

同时也应考虑电感器的饱和特性。如果输入存在线路瞬变，则输入电流会增加，然后电感器饱和。这样，电容器的电压过大。如果电感器因负载冲击而饱和，则变流器会信号干涉问题。饱和特性需要在相关浪涌和冲击额定功率的最低线路电压下进行考虑。

热电流来自持续运行的额定功率和最低线路电压（作为指导，建议低于额定线路电压的 20%），考虑电感器热时间常数。

3 电压源逆变器

3.1 基本原理

电压源逆变器将 输入DC 电压切换为交流输出电压，方法是使用合适的开关控制策略，通过两个开关将 AC 输出端子如图4所示：

图4 桥臂调制图示

连接到 D 正极和DC 负极输入。输出在+Vs/2–Vs/2 之间有效切换，且切换模式按照所需频率合成准正弦电压。未通过滤波的输出电压包括基波电压和谐波成份。

分离 DC 电源，以显示 pseudo-0V。如果如图4所示切换正极和负极，则分析输出波形更容易。对于实际逆变器电路，开关将为带反并联二极管的功率半导体开关（IGBT 或 GTO）。由于上下桥臂的开关并非理想开关，因此一个开关关断、另一个开关导通之间设置死区时间，由于轨道电路对于谐波电压的限制，所以对于死区时间也有相应的限制。三相逆变器是指三个逆变器臂，这三个臂为选通脉冲模式，相角与基波相互差120 度。

3.2 开关控制策略

对于辅助逆变器开关策略和形式的选择和设定，基于以下几个设计要求：

交流电压谐波的低失真；

功率开关的低损失；

输出滤波器的轻量化要求；

滤波电抗的低噪声要求；

最大的交流基波频率要求；

半导体元件的优化结点温度（最大纹波情况）

3.3 自然采样的调制

在微处理器控制发展之前，自然采样调制策略是使用模拟电路生成 3 相逆变器 PWM 波形的唯一实用的方法。现在，它仍然是生成辅助逆变器正弦波形的最常用的调制方法，使用更精确的方法可使用微处理器合成波形。这可通过可变幅值的三角波形和正弦波的比较而实现。基波频率分量的幅度通过正弦信号幅度的变化而进行控制，如图5所示：

图5 自然采样策略

波形，为逆变单元一个桥臂所生成的PWM 波形。对于其他两个桥臂的正弦波波形相同，而相位分别滞后120°和240°。

3.4 计算的角度调制

这种控制逆变器输出交流电压的方法的原理是低次谐波可通过选择合适的导通角完全消除。这种生成选通信号的方法取决于现代电子控制器储存和调用导通角所需的数据的能力。

消除低次谐波的目的旨在优化输出滤波器设计（因为低频需要最多衰减，因此滤波器分量最大）以及降低开关频率，因此减少半导体损耗。

此技术的另外一个优点是通过特定的Vs 数值来达到一个较高的交流输出电压，并且配备相应的隔离变压器，同等负载需求的情况下，可以有效的降低逆变器的输出电流，因而来降低电路损耗。

这些优点看起来很好，似乎与自然采样相比，显然是更好的切换策略。然而，也存在一些负面情况。其中一个就是未进行消谐的谐波电压高出很多，特别是交流电压处于控制状态且“调制度”较低时。

消除的谐波数等于所需的切换角度数；

如果需要交流电压控制，则额外需要角度。

3.5 开关频率的选择

使用同步自然采样PWM 时，为了优化交流输出谐波谱，先定义一个数值mf=fs/f0，mf的选择为 3+6n,n=1,2,3,4,5,6……，即mf 为3的整数倍。AC 线路输出电压的主导谐波为 mf+/-2、2mf +/-1 和2mf +/-3。调制电平降低时，主导谐波 mf+/-2 幅度增加，因此滤波器设计必须基于最大 DC 链路电压条件。

最大交流基波频率输出电压有效值为0.61xDC 链路电压。

最小关闭时间会限制实际最大基波频率交流输出。mf的值越高，最大输出电压下降得越多。

死区可产生 5 和 7 谐波。注意接近这些频率的输出滤波器会引起共振。

3.6 逆变器输出滤波器

输出滤波器组件为三相滤波器电感器和电容器。

如果无需输出隔离变压器，但需要输出中性点，则电容器的连接必须为星型结构（星点为中性连接），如图6所示：

图6 无变压器三相输出拓扑

然而，如果单相额定功率>2kVA，则建议使用单独的静电平衡器，以便提供独立的中性连接，确保单相负载在三相上均等分布。此外，谐波失真与线路间电压相同。

缺点是对于特定尺寸的电容器壳体，电容量较少。而且，这种星形排列也需要额外的放电电阻器才能确保变流器断电时，每个电容器元件有效放电。

如果需要隔离变压器，则优化配置其中变压器可提供中性点（如需要），如图7所示：

图7 带变压器三相输出拓扑

特定箱体尺寸的电容量值更大。电感器和电容器的值由逆变器开关频率和输出交流电压畸变要求而决定。滤波器输入和输出的典型电压波形，如图8，图9所示：

图8 典型逆变器PWM 调制波形

图9 典型逆变器滤波波形

滤波器的电气性能要求取决于失真程度的要求，影响分量值和滤波器性能的因素如下包括：

预期线路（或链路）电压范围；

逆变器切换模式和频率；

失真度限制；

应用到 AC 输出的负载；

异步电机通过其等效短路阻抗增加滤波器的有效共振频率；

二极管整流器产生大量低次谐波（特别是三相整流桥的 5 和7 谐波）；

滤波器电感器压降；

变压器压降

线路电压范围以及逆变器 PWM 调制指数决定滤波器的切换脉冲模式。

通常情况下，最大调制和最小调制之间的失真存在一些差异。例如，对于750μH 感抗值和 100μf 容抗值以及 1350Hz 开关频率，可以看到相同负载和输出电压下不同的失真值：

400V 线路（0.86 调制）时为 6.7%；

750V 线路（0.47 调制）时为 5.3%；

1000V 线路（0.36 调制）时为 4.0%

如果滤波器分量的值相同，则逆变器的开关频率越高，失真越低。例如，750μH 电感和 100μf 电容时，可以看到如下失真值：

750Hz 开关频率（15 个脉冲）时为 9.4%；

1350Hz 开关频率（27 个脉冲）时为 4.3%

开关频率主要受逆变器设备的性能以及逆变器散热器总成损耗的限制。必须考虑电感器的压降，特别是考虑瞬间额定功率时。输出电压必须维持最低线路电压和最大可用调制。在此设计阶段，建议使用向量分析。例如，配置如下时：电容器 250μF；线路电压450V；调制指数 0.95；开关频率 1350Hz；如表1所示：

表1 电抗器的感值和阻值影响

对于空心电抗器，线圈数量越多，感抗值越大相应的阻抗值也越大，损耗也越大，进而影响了输出电压。

400Vrms 50Hz 时的负载为 100kVA 0.5p.f.（负载电感器=4.41mH，电阻器=0.8Ω）

同时，也需要考虑变压器的压降（电阻和漏电感），尤其是特别是考虑瞬间额定功率时。输出电压必须维持最低线路电压和最大可用调制。例如，配置如下时：滤波器电容器250μF;滤波器电感器300μH；线路电压500V；调制指数 0.95；开关频率 1050Hz；如表2所示：

表2 变压器参数影响

415Vrms 50Hz 时的负载为 125kVA 0.5p.f.（负载电感器=3.81mH，电阻器=0.69Ω），如图10所示：

图10 变压器电路模型

3.7 输出变压器

交流输出变压器的设计要求如下：

匝数比（从逆变器和滤波器预期输出到所需的 AC 输出）。最小线路电压和最大负载条件需检查匝数比；

额定功率。确保持续和瞬间额定功率（功率、持续时间和功率因素）公布；

初级和次级电阻值。这需要进行指定，确保优化辅助变流器系统的效率；

漏电感值。这需要进行指定，因为如果楼电感压降过大，在所有负载和线路电压条件下都无法维持 AC 输出电压；

要公布初级和次级电流的谐波量，因为这会影响变压器的设计；

中性点要求；

隔离要求；

连接点要求（电缆、接线盒、跨线）

4 蓄电池充电机电路

蓄电池充电器电路通常为全桥或半桥电路。全桥电路用于高功率应用 (>15kW)，保持较低的 IGBT 电流和隔离变压器电流。然而，相对于半桥电路，此电路需要更多的 IGBT 门驱动，且对失衡（DC 分量）更敏感。此控制策略对两种电路（半桥或全桥）都相同。

输出变压器的设计要求如下：

匝数比。最小线路电压和最大负载条件需检查匝数比。需考虑滤波器和输出二极管的压降；

额定功率。确保最大持续功率公布；

初级和次级电阻值。这需要进行指定，确保优化辅助变流器系统的效率；

漏电感值。这需要进行指定，因为如果楼电感压降过大，在所有负载和线路电压条件下都无法维持 DC 输出电压；

电流强度磁化可避免变压器因失衡而通过小 DC 电流而饱和；

初级和次级电流的谐波量，会影响变压器的设计；

隔离要求；

连接点要求（电缆、接线盒、跨线）；

典型的DC 输出滤波器电路，如图11～15所示：

图11 全桥电路

图12 半桥电路

图13 三相整流器电路

图14 不控二极管整流电路的输入和输出波形

图15 受控半桥电路的输出波形

4.1 蓄电池充电机输出滤波电路

滤波器的电气性能要求取决于客户对纹波的要求，影响分量值和滤波器性能的因素如下：

预期线路（或链路）电压范围；

蓄电池充电器切换模式和频率；

客户的纹波要求；

应用到 DC 输出的负载；

滤波器电感器压降；

变压器压降

线路电压以及蓄电池充电器 PWM“接通持续时间”决定滤波器的切换脉冲模式。

最大纹波在最大线路（链路）电压时获取（考虑恒定输出电压）。

例如，对于250μH 电感30μF 电容以及3kHz 开关频率，可以看到相同负载和输出电压的以下纹波值：

500V 线路（92%持续接通时间）时为0.4Vp-p；

750V 线路（56%持续接通时间）时为0.6Vp-p；

1000V 线路（22%持续接通时间）时为0.7V p-p

如果滤波器分量的值相同，则电桥的开关频率越高，纹波越低。例如，为半桥配置、500H 电感和 30mF 电容时，可见纹波值分别为：

1kHz 开关频率时为 0.87V p-p；

3kHz 开关频率时为 0.29V p-p；

6kHz 开关频率时为 0.14V p-p

正确的纹波计算需考虑输出滤波器电容器阻抗（包括串联电阻和杂散电感）。必须特别注意最靠近电容器端子的输出端子的连接，以便减少杂散电感对纹波的影响，特别是开关频率高、但输出电压低时更是如此。开关频率值主要依赖逆变器设备的性能以及蓄电池充电器散热器总成损耗的限制。必须考虑电感器压降，需要特别考虑瞬间额定功率引起的电感压降。输出电压必须维持最低线路电压和最大可用调制。例如，配置如下时：电容器 30mF；线路电压450V；90% 持续接通时间；半桥电路开关频率 3kHz；110V DC 时负载 30kW。注意到输出电压的影响，如表3所示：

表3 电抗器的电感与电阻的影响

同时，也需要考虑变压器的压降（电阻和漏电感），尤其特别考虑瞬间额定功率情况。输出电压必须维持最低线路电压和最大可用调制。例如，配置如下时：滤波器电容器 30mF；滤波器电感器500μH；线路电压 450V；90% 持续接通时间；开关频率 3kHz。110V DC 时负载 30kW 可以得到区分出电压以及纹波系数的影响，如表4所示：

表4 变压器参数的影响

5 总结

随着对于轨道交通行业的辅助供电系统的越来越多样化的功能需求以及技术革新与可靠性要求的矛盾性日益凸显,对于平台化设计的需求：模块化、信息化、网络化、高频化是其特点,高效、轻量、小型化、低成本则是发展趋势和目标。基于原有技术平台上的开发将越来越多。本文只是对于辅助电源系统的设计，提出了相关的设计考虑和建议。实际的平台化设计，还需要在以后的细化设计、研发、改进时，进一步总结梳理，力求研发一种新平台，能真正满足国内轨道交通行业的综合化需求。

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M]北京：机械工业出版社,2009.5.

[2]《电气工程师手册》编辑委员会.电气工程师手册.[M]北京：中国电力出版社,2008.

[3]Ala Al-Haj Hussein,Issa Batarseh.A review of charging algorithms for nickel and lithium battery chargers.[J]IEEE Transactions on Vehicular Technology,Vol.60,No.3,March 2011 pp:830-838.

[4]杨奇，陈铭.孟买1 号线地铁充电机选型研究[J].科学之友.2010.2.

[5]吴佐民，刘志刚.城市轨道交通高频充电机研制.[D]硕士论文集

[6]苏茂胜.直流电抗器的设计与计算[J].机电研究及设计制造.2009.04.

[7]邹稳根.轨道交通用辅助逆变器制造技术发展概况,[K]铁道机车车辆工人,第一期.2010.1