中速磁浮列车车载电网供电控制分析

黄小丽 岳 芹 陈志保 曾颖丰

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001)

时速200 公里中速磁浮列车作为一种新型轨道交通方式，具有快速、便捷、绿色、环境适应性强等特点，对于人口密度大的城市群以及城际交通方面具有竞争力。时速200 公里中速磁浮交通系统是“十三五”国家科技部重点研发项目，目前中速磁浮系统正处于关键技术研究及装备研制阶段[1]。

中速磁浮系统采用长定子直线同步电机牵引技术，牵引供电系统位于地面，中速磁浮车载电网主要用于悬浮系统、导向系统、涡流制动系统、空调、空压机、AC220V 电源、DC110V 负载供电，本文针对200 公里中速磁浮列车车载电网控制设计进行深入分析。

1 车辆供电

车辆的主要供电电源包括：供电轨、直线发电机、蓄电池。当列车速度低于20km/h 时，完全由外部供电轨-受流器向车辆供电；当列车速度高于20km/h 且低于100km/h 时，由外部供电轨和列车自带的直线发电机同时向车辆供电；当列车速度高于100km/h 时，从车上直线发电机获取的电力已能够满足车辆需求，受流器自动收回，完全由直线发电机向车辆供电。

蓄电池作为列车的备用和紧急电源，在使用涡流制动器紧急制动时，由蓄电池与直线发电线圈或外部供电轨联合提供制动电源[2]。

1.1 车载电网

中速磁浮列车车上用电设备通过车载电网供电，每节车的车载电网包括以下几部分：(1) 每节车有2 套独立DC440V 电网，每套电网有1 组DC440V 蓄电池；(2)每节车有1 套DC110V 电网，带1 个DC110V 蓄电池；(3)1 个三相AC220V 电源；(4)1 个单相AC220V 电源。其中DC440V 电网是车辆的主电网，DC110V 电网是车辆控制电源。本文重点针对DC440V 电网供电控制进行分析，车辆单套DC440V电网拓扑如图1 所示。

每套DC440V 电网由HS 升压斩波器、BV440 车载电网开关箱、DC440V 蓄电池、DC440V 负载组成，HS 将直线发电机发出的交流电、外部供电轨提供的直流电均转换为DC440V 电网所需直流电后输入DC440V 电网，给DC440V负载供电；BV440 用于DC440V 车载电网配电和电路保护，可控制DC440V 蓄电池与DC440V 电网的通断。

1.2 车载电网通断控制

在外部供电正常条件下，针对列车不同运行模式进行说明：

列车自动运行模式下，车辆完成低压设备自检后，车载运控系统VCS 控制所有受流器升起，VCS 向列车发送“车载电网允许上电”指令信号，允许车辆上440V 高压。当列车网络IO 模块采集到VCS 主机发送的“车载电网允许上电”信号为高电平时，网络系统发送“DC440V 通电”指令控制所有的BV440 电网开关箱内LS 接触器闭合，使各组DC440V蓄电池接入相应的DC440V 电网，HS 升压斩波器检测到输出端有DC440V 电压后，HS 启动开始工作，将外部供电轨提供的直流电转换为DC440V，即DC440V 电网通电。反之，DC440V 电网关断的步骤为车载VCS 主机发送指令控制列车所有受流器收回，当列车网络IO 模块采集到“车载电网允许上电”信号为低电平时，网络系统发送“DC440V 断电”指令控制所有的BV440 电网开关箱内LS 接触器断开，切除DC440V 蓄电池，DC440V 电网断电。

列车维护运行模式下，仅在激活司机室且车辆静止(零速)时进行DC440V 电网通断控制，在激活司机室端“列车控制”继电器KM1 得电闭合，工作人员手动操作司机台上“440V 通电”按钮，列车网络IO 模块采集到“440V 通电”脉冲信号后，同样的，网络系统发送“DC440V 通电”指令给所有的BV440，控制DC440V 电网通电；当DC440V 电网需关断时，工作人员控制所有受流器收回，并操作司机台上“440V 断电”按钮，控制DC440V 电网断电，如图2。

图2 DC440V 电网通断控制电路简图

1.3 外部供电控制

外部供电控制分为HS 启动外部供电信号、受流器升降信号控制，列车默认提供启动外部供电信号给所有的HS，控制HS 接通外部供电。在紧急情况下，可人工操作“启动外部供电”开关，控制所有HS 自主断开外部供电；受流器升降控制电路如图3 所示，结合列车不同运行模式进行说明：

图3 受流器升降控制电路简图

列车自动运行模式下，列车停止和速度小于100km/h时，车载运控系统VCS 控制发送“释放受流器”信号高电平驱动受流器升起继电器KM2 得电，使受流器升起电磁阀得电，受流器供风管路充气，受流器升起与供电轨接触；当列车速度高于100km/h 时，VCS 主机发送的“释放受流器”信号为低电平，受流器升起继电器KM2 失电，使受流器升起电磁阀失电后，受流器供风管路排气，受流器收回，断开外部供电轨供电。

列车维护运行模式下，仅激活司机室且车辆静止(零速)时进行受流器升降控制，在激活司机室端“列车控制”继电器KM1 得电闭合，工作人员手动操作司机台上“受流器控制”开关到“受流器伸出”位，使受流器升起电磁阀保持得电，完成受流器升起控制；将“受流器控制”开关打到“受流器收回”位，使受流器升起电磁阀失电，完成受流器收回控制。

2 VCS 信号接口

列车自动运行模式是完全由运控系统负责列车运行控制，工作人员完成列车初始化上电和人工确认后，由运控系统控制列车自动运行。车载运行控制系统VCS 一方面通过无线电系统从地面分区运行控制系统接收列车运行指令，向地面上传列车状态信息；另一方面向车辆下达控制指令，收集车辆状态信息，实现对列车速度、位置的安全控制[3]。下面重点介绍与车载电网供电控制相关的VCS 信号。

释放受流器：VCS 根据列车速度和地面供电轨的布置，控制受流器的伸出和收回；当列车速度小于100km/h 且没有施加涡流制动，则受流器在配备有供电轨的特定停车点区域自动释放。如果列车速度大于100km/h，则撤销释放命令。在列车利用涡流制动完成强制停车后，列车处于停止且已降落的状态下自动释放受流器。

车载电网允许上电：在列车车载电网无故障条件下，VCS控制车载440V 电网启动，该信号为低电平时，车载440V 电网关断；

车载电网无强制停车：列车网络系统实时监测440V 蓄电池电量状态，并转发给VCS。VCS 接收列车网络系统发送来的“车载电网无强制停车”状态监视信号。当440V 蓄电池电量不足时，VCS 收到逻辑低电平的“车载电网无强制停车”状态监视信号后，将产生强制停车到当前停车点(包括辅助停车区)，而且列车继续运行被禁止。直到车载蓄电池重新充电完毕，故障报警自动解除后，列车才能继续运行。

车载电网无故障：列车监视所有HS 工作正常、所有440V 蓄电池无故障、110V 蓄电池无故障条件下，VCS 接收列车网络系统发送来的“车载电网无故障”高电平信号。当VCS 收到逻辑低电平的“车载电网无故障”状态后，将产生强制停车在运行方向上可到达最近车站停车，而且禁止列车继续运行。直到故障报警自动解除后，列车才能继续运行。

受流器伸出：列车监视所有受流器状态，当所有受流器伸出到位时，反馈高电平信号给VCS；

受流器收回：列车监视所有受流器状态，当所有受流器收回时，反馈高电平信号给VCS。

表1 中每个信号都有两路通道互为冗余，都为电平信号，若两路电平信号输出或输入不一致时会引起车载设备系统故障，导致列车停车。

表1 VCS 控制命令输出信号和接收状态信号列表

3 结论

本文针对200 公里中速磁浮车辆车载电网多冗余、多设备、多供电源等技术特点，根据车辆不同的运行模式，提出的车辆车载电网通断控制方案和逻辑分析，重点分析了车载运行控制系统VCS 与车辆控制单元之间交互信号，对更好的掌握列车控制原理、处理车载电网故障起到了较大帮助。