地铁车辆直接逆变辅助供电系统

吕 龙 韩 霜 常振臣

(中车长春轨道客车股份有限公司，130062,长春∥第一作者，工程师)



地铁车辆直接逆变辅助供电系统

吕 龙 韩 霜 常振臣

(中车长春轨道客车股份有限公司，130062,长春∥第一作者，工程师)

分析了几种地铁车辆辅助供电系统的拓扑结构及其优缺点,结合实际地铁车辆车载辅助供电系统的功能需求,介绍了一种结构简单的辅助供电系统。车辆运行试验结果表明,这种辅助供电系统能够满足地铁车辆运行需求,具有较高的推广价值。

地铁车辆; 辅助供电系统; 拓扑结构; 直接逆变

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

辅助供电系统作为地铁车辆的重要组成部分,能满足空调机组、空压机、照明设备、蓄电池等交直流设备的用电需求。辅助供电系统的优良可靠关系到列车的安全运营,同时还与乘车舒适性密切相关。随着地铁车辆运输质量的提高,车载辅助供电系统技术方案逐渐多样化,技术指标和可靠性要求也越来越高。本文结合实际地铁项目,对直接逆变辅助供电系统进行了研究。

1 辅助供电系统

地铁车辆辅助供电系统有双逆变器型和单逆变器型两种型式。

双逆变器型包括串联型与并联型。其中，具有代表性的是串联双逆变器型,香港地铁TGF4系列辅助供电系统和广州地铁1号线均采用这种拓扑结构(如图1所示)[1-2]。双逆变器型辅助供电系统,采用12脉冲PWM(脉冲宽度调制)控制方案,输出电压为12阶梯波,输出谐波含量较小,开关频率仅为基波的3～5倍。较低的开关频率有效提升了逆变器的工作效率。然而串联双逆变器型辅助供电系统结构复杂、功率器件多。当两台逆变器串联时,同步控制12脉冲难度大,对动态均压的要求高。其变压器设计制造复杂,电路叠加DZ型变压器次边绕组曲折连接,磁路叠加的变压器2个原边绕组由不同相位的电压分别输入,电磁设计复杂[3-4]。

图1 串联双逆变器型辅助供电系统拓扑结构图

单逆变器型有先升/降压稳压后逆变型和直接逆变型。地铁车辆率先应用的是先升/降压稳压后逆变型辅助供电系统(如图2所示)。图2中，CHO(升降压器)在接触网电压波动时能稳定逆变器INV的输入电压。CHO的逆变方式主要有斩波降压逆变方式、两重斩波降压逆变方式和升降压斩波逆变方式[4]。单逆变器型辅助供电系统的功率器件少,PWM控制方案简单,通过优化PWM控制同样可以使谐波含量达到要求；其变压器结构简单,逆变器输出经滤波后进一步降低了谐波含量,系统可靠性较高。

随着电力电子技术的发展,以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为代表的功率器件开关频率得到了大幅提升,PWM技术也不断优化。在网压和负载变化的情况下,采用优化的PWM控制算法,完全能够将逆变器的输出稳定控制在一定范围内。而CHO的稳压作用不再明显，进而逐渐被设计者忽略。于是衍生出直接逆变辅助供电系统。

相对于双逆变器型辅助供电系统,直接逆变辅助供电系统具有单逆变器型的结构简单可靠、PWM控制方案易于实现等优点。较先升/降压后逆变的单逆变器型辅助供电系统,直接逆变辅助供电系统省去了CHO,其拓扑结构进一步简化,成本和可靠性性都得到了优化。直接逆变辅助供电系统的结构如图3所示。

图2 先升/降压稳压后逆变型单逆变器辅助供电系统结构图

图3 直接逆变型辅助供电系统拓补结构图

2 直接逆变辅助供电系统技术方案

某国内地铁项目采用6动2拖的地铁列车。列车由2个单元组成。其中3动1拖为1个列车单元。每个列车单元拥有1台辅助供电系统,分别安装在拖车TC1和TC2上。列车采用集中供电方式提供三相四线制交流380 V、50 Hz电源和直流110 V电源。当其中1个单元辅助供电系统发生故障时,另1个单元的辅助供电系统通过扩展供电向整列列车供电。此时，列车以减载模式运行,能满足基本的运营需求。当接触网供电中断时,集成的蓄电池充电器以逆变模式运行,其直流蓄电池电能经逆变处理后驱动应急负载,可最大限度地保证乘车的舒适度和安全性。

为实现上述功能,直接逆变辅助供电系统包含输入电路、三相逆变器、隔离变压器和输出AC滤波器及蓄电池充电器4部分(如图4所示)。

图4 直接逆变型辅助供电系统

2.1 输入电路

根据EN 50163及IEC 60850标准,辅助供电系统的直流输入电压要求为:额定线路电压为DC 1 500 V，持续工作最大持久线路电压为DC 1 800 V，持续工作最小持久线路电压为DC 1 000 V，最大非持久线路电压为DC 2 000 V。

接触器(CCK)和限流电阻(CCZ)组成预充电电路。辅助逆变器启动时,闭合CCK,CCZ能够抑制启动时的电流冲击,启动完成后，断开预充电CCK,闭合线路接触器(LIK)。辅助逆变器停机或发生故障时,LIK自动切断辅助逆变器与主电路的连接。

电感(L-FL)和电容(C-FL)组成滤波电路,对辅助逆变器进行电压冲击保护,以提供稳定的直流电源,同时具有限制线路谐波的作用。

2.2 三相逆变器

三相PWM逆变器可将线路电压转换为三相四线制交流380 V输出。接触网电压波动时,辅助供电系统输出的交流电压应能满足要求(380(1±5%)V,50 Hz)，故将三相逆变器的输出电压反馈,进行闭环PWM控制。三相逆变器的闭环PWM控制原理如图5所示。三相逆变器检测辅助供电系统输出的三相电压,并反馈给控制单元,与给定电压值进行比较,从而得到电压偏差；电压偏差经电压控制器调节后,与电流反馈信号共同作为PWM生成器的输入信号;一旦产生电压偏差信号,闭环控制电路就进行调节产生PWM信号,并向着减小误差的方向控制逆变器开关器件的导通与关断；最终使逆变器的输出满足设计要求。

图5 三相逆变器控制原理

a2.3 隔离变压器和输出AC滤波器

三相变压器用于实现线路电压和逆变器输出之间的电气隔离。AC滤波器由隔离变压器和1台三相电容器组成,可将PWM方波电压转化为正弦波,从而使负载电流近似正弦曲线。

2.4 蓄电池充电器

蓄电池充电器(见图6)为列车的直流负载提供110 V电源,同时保证在紧急模式下(如接触网供电中断)向应急负载供电。其结构包括1个TPCR(用于将三相电压变换成DC 110 V电压)和1个输出二极管(用来实现 DC 110 V非永久母线与蓄电池的并联)。

图6 蓄电池充电器

当2台辅助供电系统正常工作时,列车上所有DC 110 V负载全部由蓄电池充电器供电,蓄电池处于浮充电状态。当只有1台辅助供电系统正常工作时,正常的辅助系统为整列列车供电,而蓄电池不承受额外负荷。上述两种工况下,蓄电池充电器均工作在整流模式,输出DC 110 V为列车直流负载供电，且蓄电池处于浮充电状态。当接触网高压供电中断时,蓄电池的直流电逆变为三相交流电,以向应急负载供电。

3 试验结果与分析

在该项目地铁车辆上进行试验,并以列车数据记录仪(ERM)对试验数据进行记录。每个列车单元中，空调机组、司机室通风机、空压机、客室幅流风机、电热系统、方便插座等设备采用三相四线制的AC 380 V供电;蓄电池、低压控制系统等设备采用DC 110 V供电;刮雨器、前照灯、DC 24 V电压表等采用DC 24 V供电。通过合理的载荷预算，并考虑一定的裕量,可确定每个列车单元辅助供电系统的额定容量。

辅助供电系统容量确定以后,还需对直接启动的负载(例如空调系统压缩机和制动系统空压机)进行顺序启动控制,以免负载冲击电流的叠加损坏辅助供电系统。

ERM监视车辆运行工况得到的试验数据如图7所示。其中，区间A对应TC1和TC2车辅助供电系统均正常工作的情况,此时ERM监视的试验数据如表1所示。

表1 试验数据

在区间B中,模拟TC2车辅助系统发生故障,系统自动断开TC2车交流输出接触器(AOIK)，切断与外部电路的电气连接(如图7曲线⑥所示)。此时，TC2车交流输出线电压几乎为0(如图7曲线②所示),由TC1的辅助系统为整列车提供交流电,使车辆维持基本运行。

由区间C的运行工况可见,TC2车辅助系统正常工作一段时间(如图7曲线⑧所示)后,排除故障AOIK能再次闭合(如图7曲线⑥所示),TC2车辅助系统也能重新投入使用(如图7曲线②所示)。

图7 ERM对试验结果的记录截图实景

4 结语

直接逆变辅助供电系统拓扑结构简单、易于实现,采用闭环PWM控制方案,能够使辅助供电系统交直流输出满足设计要求。当1个列车单元的辅助供电系统发生故障时,另1列车单元的辅助系统可为整列列车供交流电,使列车能够维持基本的运行。这种方式提升了车辆运营的可靠性。车辆的试验结果表明，直接逆变辅助供电系统能够满足设计要求，且具有较高的推广价值。

[1] 赵清良.地铁车辆静止变流器[J].电力机车与城轨车辆,2003,26(4):77-79.

[2] 唐春林,陈春棉.城市轨道交通列车辅助供电系统分析[J].电气开关,2008(1):12-15.

[3] 王鑫,赵清良.地铁车辆辅助逆变器的设计与仿真[J].机车电传动,2006(4):43-46.

[4] 李红,左鹏,刘伟志,等.地铁车辆辅助逆变电源分析研究[J].中国铁道科学,2004,25(1):52-55.

伦敦地铁周末通宵运营终成现实 首日5万民众使用

伦敦市长萨迪克·汗登上维多利亚线第一班夜间地铁，他说伦敦地铁通宵运营是一个令人振奋的消息，它将使伦敦经济获益，并带来成千上万的工作机会。在经历了多年的延期后，伦敦地铁通宵运营终于成为现实。自上周六(8月20日)开通以后，大约有5万英国民众使用了伦敦地铁夜间运行服务。首日的夜间运行相当顺利。虽然清洁工已准备好了应付最糟糕的情况，但乘客们表现普遍良好。一位乘客指出，伦敦标榜自己是全天候不夜城，而实际上伦敦地铁通宵运营才使这一口号变成现实。据估计，伦敦有超过70万人上夜班。这些人中包括了医生、护士、保安和酒吧服务员。一旦地铁通宵运营服务全面展开，大约20万人会在周末使用该服务。地铁通宵运营受到了商界的强烈支持，英国最大的酒吧行业协会负责人指出，英国退欧公投后经济环境变差，地铁通宵运营不仅会使他们的顾客受益，也会让酒吧和酒吧员工受益。为应付可能出现的突发事件，伦敦警察局增派了100名警力在地铁站以及地铁列车上维持秩序。虽然政府为此可能多花费超过100万英镑，但与收益相比还是相当划算。据相关团体估计，地铁通宵运营在2029年前每年将会为伦敦带来7千多万英镑的收益。

(摘自2016年8月23日FX168财经网)

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)