城轨车辆辅助供电系统节能方案研究

彭敏　肖晓

摘 要：随着变流技术、控制技术和计算机技术的发展，城市轨道交通已成为市民出行的主要方式，为了响应国家节能降耗政策，加快建设资源节约型、环境友好型社会，开展城市轨道交通车辆辅助供电系统节能方案研究，对城市轨道交通系统能耗优化具有重要意义。文章通过分析车辆辅助供电系统主电路结构和空调等重要负载供电电路，提出一种基于高频直流斩波降压电源的车辆辅助供电系统优化方案，描述其基本原理，并通过理论计算对优化方案的节能效果进行验证。

关键词：城市轨道交通;车辆;辅助供电系统;节能方案

中图分类号：U213.8

0 引言

城市轨道交通系统车辆总能耗主要包括牵引供电能耗和辅助供电能耗。其中，牵引供电能耗指列车动力系统耗能，通过牵引供电系统提供;辅助供电能耗指动力系统以外的其他设备如列车控制系统、空调系统、制动系统、照明系统、门控系统、信号系统等产生的耗能，通过辅助供电系统提供。辅助供电能耗占车辆总能耗的30%～40%。因此，开展城市轨道交通车辆辅助供电系统节能方案研究具有重要意义。

1 辅助供电系统

城市轨道交通车辆辅助供电系统是将从接触轨或接触网获得的直流电能转变成车载子系统所需的AC 380 V和DC 110 V。其中AC 380 V負载主要包含设备冷却风机和空调压缩机、冷凝器、通风机和制动系统空气压缩机等。DC 110 V负载主要包含照明系统、门控系统、信号系统、列车控制系统等。

城市轨道交通车辆辅助供电系统目前普遍采用“工频逆变-变压”技术方案，通过受流器从接触轨或接触网获得直流电，经过直流滤波、逆变、交流滤波、隔离降压，输出AC 380 V，同时，通过降压、整流转换为 DC 110 V。其基本原理如图1所示。辅助供电系统主要包括直流滤波器、工频逆变器、工频交流滤波器、工频隔离变压器 、降压变压器和二极管整流器等电路设备。各设备主要功能如下：

（1）直流滤波器设在DC 1 500 V高压母线和逆变电源中间，用于抑制高压直流输电系统直流侧谐波;

（2）工频逆变器通过脉宽调制技术和微电脑控制技术将直流电转化成AC 380 V / 50 Hz电压;

（3）工频交流滤波器用来滤除交流谐波，避免对系统带来不良影响;

（4）工频隔离变压器用于对输出电压隔离和降压;

（5）降压变压器将AC 380 V降压为整流器所需的AC 150 V;

（6）二极管整流器将降压变压器提供的AC 150 V整流变换为DC 110 V。

传统车辆辅助供电系统方案中，由于降压环节在系统中处于靠后位置，导致降压变压器输出侧相应部件的耐压等级提高，尤其是大功率工频隔离变压器质量和体积均偏大。因此，传统辅助供电系统不仅效率低、对安装空间要求高，而且不利于车辆轻量化设计。

2 辅助供电系统优化方案

2.1 电源端优化方案

随着电力电子和控制技术的发展进步，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）技术进一步发展，逆变器开关频率也越来越高。因此，基于高频直流斩波降压电源对传统车辆辅助供电系统电源端进行优化后，可以提供DC700V、AC 380 V和DC 110 V 3种不同制式和电压等级的辅助输出电源。其中DC 700 V直接为空调系统提供电能。

优化后辅助供电系统主电路结构如图2所示。该辅助供电系统高频降压-逆变方案主要包括直流滤波器、高频降压斩波器、工频逆变器、工频交流滤波器、高频逆变器、高频变压器、高频整流器和滤波器等电路设备。各设备主要功能如下：

（1）直流滤波器用于抑制高压直流输电系统直流侧谐波;

（2）高频降压斩波器位于输入滤波器后端，将DC1500V通过脉宽调制或频率调制方式转换为电压极性相同的DC 700 V;

（3）工频逆变器将直流电转化成AC 380 V / 50 Hz交流电;

（4）工频交流滤波器滤除交流谐波;

（5）高频逆变器将输入的DC 700 V转化为中间的高频交流电源;

（6）高频变压器用于中间电压变换;

（7）高频整流器将变压器提供的中间交流电压转换为负载所需的DC 110 V;

（8）滤波器用于直流输出端电压滤波。

2.2 用电端优化方案

AC 380 V输出能耗占辅助供电系统总输出能耗90%以上，其中空调系统能耗占AC 380 V输出能耗80%以上，因此，本文主要对空调供电回路进行优化研究。

2.2.1 传统空调供电回路

当城市轨道交通车辆采用定频空调时，空调系统供电电路通过控制压缩机的工作时间占比控制空调制冷量，即由主电路输出的AC 380 V经过滤波后直接向空调系统供电，无需额外变频。但定频空调系统工作时制冷量是一定的，只能通过频繁的启停压缩机控制制冷量;随着变频空调技术的出现，可通过改变空调系统压缩机工作频率，实现空调制冷量的精准调节，达到节能降耗的目标。

由AC380V作为空调系统电源时，如采用变频空调系统，需先经整流器整流，然后经逆变器将直流电逆变成交流电提供给空调系统的变频压缩机，传统变频空调用电主回路如图3所示。但变频空调系统在整流过程中存在一定的能量损耗（一般整流器效率约为96%），降低了辅助供电系统总效率。

2.2.2 空调供电回路优化方案

基于辅助供电系统优化方案和空调变频技术的成熟，提出一种新的“辅助电源→空调”供电方案，即将辅助供电系统第一级输出降压形成的DC700V直接提供给变频空调的逆变模块进行逆变，并在该过程中实现变频控制，优化后的空调供电回路如图4所示。

[9]赵清良，刘清，曾明高. 城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展[J]. 机车电传动， 2012（1）：52-57.

[10] 杜会卿. 高频脉冲直流环节辅助逆变器输出性能优化与效率提升[D]. 北京：北京交通大学， 2016.

[11] 陆源清. 地铁空调系统变频节能分析[J]. 现代城市轨道交通，2015（6）：22-26.

收稿日期 2019-07-09

责任编辑 宗仁莉

Study on energy saving solutions of auxiliary power supply system for urban rail vehicles

Peng Min， Xiao Xiao

Abstract： With the development of converter technology， control technology and computer technology， urban rail transit has become the main mode for people to travel. In order to respond to the national policy of energy saving and consumption reduction， accelerate the construction of resource-saving and environmental-friendly society， and carry out the research on the energy-saving solutions of auxiliary power supply system of urban rail transit vehicles， it is of great significance for the optimization of energy consumption of urban rail transit system. By analyzing the main circuit structure of the vehicle auxiliary power supply system and the important load power supply circuits such as air conditioning， this paper puts forward an optimization solutions of the vehicle auxiliary power supply system based on the high frequency DC chopper step-down power supply， describes its basic principle， and verifies the energy-saving effect of the optimization solutions through theoretical calculation.

Keywords： urban rail transit， vehicle， auxiliary power supply system， energy saving solution

作者簡介：彭敏（1986—），女，工程师