双源制机车蓄电池模式下辅助系统控制优化

冉德强，聂晶晶，李年锁

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

常规电力机车在无网区需要内燃机车的牵引，在实际应用中具有局限性。双源制机车的出现改善了这一现状，其采用“接触网+蓄电池”双源制式[1]。在无网区，采用蓄电池供电，克服了内燃机车的缺点，同时还可以实现零排放、低噪声、无污染，使机车更加绿色节能[2]。

但影响蓄电池使用的因素，除了安全之外，还有蓄电池的续航问题。目前蓄电池的使用在续航能力和蓄电池体积上不能做到双重最优化。高续航必然导致机车的蓄电池箱的体积和质量增大，而体积小的蓄电池又无法保证机车拥有足够的续航里程。所以，提高蓄电池的利用效率，优化控制方式显得尤为重要。

以靖神双源制调车机车为例。蓄电池模式的主要应用场景为从站场拖空车去无网区装煤，装满煤后，将重车拖回站场。但在实际应用中的工况往往更为复杂，往往需要根据煤量的多少以及装煤速度来决定本次作业时间的长短，甚至需要长时间停车等待。蓄电池可能会因为等待时间过长而导致馈电。根据双源制机车主辅电路的设计方式、设计原理来优化机车静止工况下的控制逻辑，以达到最优化利用蓄电池的目的。

1 双源制机车蓄电池系统原理及分析

1.1 蓄电池主辅电路设计

双源制机车安装2个独立的集成辅助逆变器，分别为辅逆1和辅逆2，如图1所示[3]。机车有4箱蓄电池，分为2组。2组蓄电池都要经过高速断路器(HSCB)后，为主变流器供电。BMS1、BMS2箱为第一组，通过主变流器1，最终为1架电机和辅逆1供电；BMS3、BMS4箱为第二组，通过主变流器2，最终为2架电机为辅逆2供电。机车辅助负载分为变频变压(VVVF)负载和定频定压(CVCF)负载。VVVF负载和CVCF负载分别位于VVVF支路和CVCF支路。辅逆1输出接触器、辅逆2输出接触器、冗余转换接触器控制辅助回路的通断。

图1 双源制机车蓄电池主辅电路示意图

1.2 蓄电池系统运行分析

当机车处于蓄电池模式下时，机车辅逆模式分为正常模式、冗余1模式、冗余2模式[4]。在正常模式下，辅逆1以VVVF方式运行，并为VVVF负载提供电源，例如牵引风机、冷却塔风机等。VVVF支路由辅逆1输出接触器控制通断；辅逆2以CVCF方式运行，并为CVCF负载提供电源，例如压缩机、空调等。CVCF支路由辅逆2输出接触器控制通断。

在单个辅逆故障的情况下，通过冗余转换接触器可以实现辅逆1或辅逆2的扩展供电。在冗余1模式下，辅逆1能以CVCF方式运行，并为VVVF和CVCF负载提供电源；在冗余2模式下，辅逆2能以CVCF方式运行，并为VVVF和CVCF负载提供电源。在冗余1和冗余2模式下，机车辅助设备只能以CVCF的模式运行。

蓄电池模式下，机车正常运行时，机车辅助系统处于正常模式。4箱蓄电池可以正常牵引，耗电量基本相当，但当机车因故停车需要长时间等待时，由于此时没有牵引，机车通过主变压器油温、主逆变器水温、牵引电机温度，综合计算出来的频率如果低于20 Hz，为了降低噪声，所有的牵引风机和冷却塔风机应停止运行，即辅逆1及VVVF负载停止工作。综合计算出来的频率如果高于30 Hz，辅逆1、牵引风机、冷却塔风机应启动来降温。

静止时，由于辅逆1不工作，故第一组蓄电池耗电量较少。第二组蓄电池通过辅逆2一直为CVCF支路的CVCF负载供电，故第二组蓄电池耗电量较大，造成2组蓄电池耗电量差别较大。特别是在蓄电池模式下，机车长时间静态运行时，会使两组蓄电池电量相差巨大。如果此时机车开始动态运行，第二组的蓄电池会提前耗尽，造成机车第2架处于隔离状态。上述现象会影响机车的整体性能以及运营状态，严重时可能导致机破。长期如此，会造成2组蓄电池使用时间不均衡、寿命不对等，严重影响蓄电池的寿命。

2 辅助系统控制优化

2.1 优化方案

鉴于以上的现状分析，为了解决机车静止状态下2组蓄电池用电不均这一问题，拟采取以下措施：机车在蓄电池模式下静止运行时，当2组蓄电池电量少于1组蓄电池电量达到一定值(取20%)后，在辅逆后端通过程序控制让辅助系统进入冗余1模式。当辅助系统进入冗余1模式后，辅逆2停止工作，辅逆1扩展供电。所有辅助设备，包括CVCF设备和VVVF设备均以CVCF的模式运行，均由辅逆1供电。当1组蓄电池等于或小于2组蓄电池电量时，机车辅助系统重新切换到正常模式。通过以上措施达到均衡2组蓄电池电量的目的。

当机车进入冗余1模式后，辅逆1以60 Hz运行，所有设备均以定频定压工作，导致机车噪声较大。噪声的主要来源为牵引风机和冷却塔风机。经过分析，在静止状态下，牵引电机不工作，牵引电机风机和冷却塔风机却在运行，造成蓄电池的电量浪费。

为了解决噪声和电量浪费的问题，借鉴机车正常模式且静止状态下，通过综合计算的频率来决定牵引风机和冷却塔风机启停的方法：即机车在蓄电池模式且静止运行状态下，进入冗余1模式后，通过主变压器油温、主逆变器水温、牵引电机温度，综合计算出来的频率如果低于20 Hz，控制牵引风机和冷却塔风机停机；而当综合计算出来的频率高于30 Hz，控制牵引风机和冷却塔风机启机。

2.2 实现过程

由TCMS通过软件优化来解决2组蓄电池耗电量不均衡、冗余模式噪声大且耗电量高的问题，编程语言为MULTIPROG图形化语言，过程如下。

1)首先1、2箱蓄电池电量取最小值，3、4箱蓄电池取最小值。2个最小值取差值的20%进行对比，如图2所示。

图2 控制优化实现1

2)机车静止时，当3、4箱蓄电池电量的最小值低于1、2箱蓄电池最小值的20%时，机车进入冗余1模式，辅逆1以CVCF方式运行并为VVVF和CVCF负载提供电源。当3、4箱蓄电池电量的最小值与1、2箱蓄电池电量最小值相等时，退出冗余1模式，进入正常模式，如图3所示。

图3 控制优化实现2

3)机车静止时，进入冗余1模式后，当由变压器油温、变流器水温、电机温度综合计算出来的辅逆频率小于20 Hz时，断开牵引风机和冷却塔风机的接触器，使其停止工作，降低噪声的同时，又节省了大量的电能；当综合计算的辅逆频率大于30 Hz时，重新闭合牵引风机和冷却塔风机接触器，使其启动为相关设备降温，如图4所示。

图4 控制优化实现3

2.3 优化结果

经过在靖神双源制调车机车上的实际运用，效果良好。静止状态下，当3、4箱蓄电池电量的最小值低于1、2箱蓄电池最小值的20%时，机车进入冗余1模式，辅逆1运行频率为60 Hz。当综合计算的辅逆频率大于30 Hz时，牵引风机和冷却塔风机的接触器闭合，噪声较大，此时1、2箱蓄电池输出电流大约为36 A；当综合计算的辅逆频率小于20 Hz时，牵引风机和冷却塔风机的接触器断开，噪声大小和正常模式下一致，此时1、2箱蓄电池输出电流为10 A。

由以上数据对比得知：上述2项措施，不但解决了2组蓄电池用电不均衡的问题，也解决了冗余1模式下，辅助设备运行噪声大的问题；也大大节约了电能。

3 结语

本文对双源制机车蓄电池模式下辅助系统的控制优化，实现了双源制机车蓄电池模式下静态运行时，4箱蓄电池的均匀放电。同时，降低了辅助设备运行的噪声，节约了大量的电能；避免2组蓄电池使用时间不均衡而严重影响蓄电池的寿命；避免在4箱蓄电池电量不均衡时，转至动态运行，造成机车单架隔离，从而影响机车的整体性能以及运营状态。

本优化方案可推广适用于其他具有同靖神双源制机车主辅电路相似的车型，可用来解决机车静态运行时，蓄电池放电不均衡、噪声大、能耗高的问题。该方案适用程度较广，降噪省电效果明显。