波士顿地铁直流低压辅助供电系统设计与研究

单正辉

(中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062)

波士顿地铁由司机室车(Cab Car,CC)和非司机室车(Non-Cab Car,NC)构成1个编组,根据不同的运营工况可实现灵活编组,以达到能源利用和运营效率的最大化。

根据列车各系统控制电源、蓄电池等直流负载类型与数量、规格与参数、列车编组形式与数量、故障冗余供电要求等确定直流辅助供电系统输出容量、输出性能、充电性能等顶层设计技术指标;结合空调、牵引风机、空压机、单项插座等交流负载的类型与数量、规格与参数、列车编组形式与数量、故障冗余供电要求等确定交流辅助供电系统三相与单相输出容量、输出性能、过载能力等顶层设计技术指标[1]。本文将重点对波士顿地铁直流低压辅助供电系统整体的功能进行详细阐述。

1 辅助系统概述

1.1 辅助系统组成

辅助供电系统(Auxiliary Power System,APS)主要包括直流低压辅助供电系统(Low Voltage Power System,LVPS)和交流辅助逆变器(Auxiliary Power Inverter,API)。直流低压辅助供电系统具有输出DC 37.5 V电压的能力,为车载设备提供控制和充电电源;交流辅助逆变器具有输出频率为60 Hz 的三相AC 230 V 和单相AC 120 V的能力,为车载交流负载提供工作电压。辅助系统概念设计框图如图1所示,在CC车和NC车上均安装了相同的APS。

SPDK—车间电源检测接触器;CB—断路器;BD—二极管;HVDB—高压箱。

1.2 输入输出电源

该项目采用第三轨受电方式,输入电压为DC 600 V,API和LVPS通过DC/DC Converter、CVCF Inverter及DC Output Filter等设备后分别输出三相AC 230 V、单相AC 120 V以及DC 37.5 V。

1.3 冗余控制方式

LVPS采用并网供电模式,供电过程由系统自动控制,无需人工干预,当某台逆变电源故障时将自动与母线隔离,剩余电源继续正常供电,全列负载不受影响,确保乘坐舒适性[2]。一个编组内的2个API设备,当其中一个API发生故障时,通过控制扩展供电接触器闭合,由工作状态良好的API为整列车的交流负载供电。考虑到API的容量有限,此时每辆车的空调要减载运行[3]。

2 LVPS输出电压控制

LVPS的输出电压控制功能主要包括:基于温度补偿的恒压、恒功率控制,限流模式控制以及过流保护和短路保护等,如图2所示。根据IEEE 1476:2000《客车辅助电力系统接口》,在额定功率下LVPS输出电压的上限值设置为DC 40.6 V,这是因为LVPS同时为蓄电池和其他直流负载提供电源。DC 40.6 V的上限值由该标准中规定的42.5 V计算得出的。计算过程如下:

图2 LVPS输出电压控制

42.5/1.02(考虑控制公差2%)=41.67 V

41.67-1(考虑带斜坡的恒压控制)=40.67 V

因为设定值需低于DC 40.67 V,所以采用DC 40.6 V作为上限值。

2.1 蓄电池温度补偿

现阶段,大多数备用电源中的能量存储依靠蓄电池。为了提高供电持续性,势必要提高蓄电池组性能。考虑到技术、资金等因素,常用的是采用单充电机对整组串联蓄电池进行充电。将充电机调整到恒压限流形式,与电池组并联,如果电池组容量损失,充电机将自动对其进行补充[4]。

通过对蓄电池的过充电保护及过充阈值电压进行温度补偿特性的研究[5],优化充电控制和保护逻辑,大大提高了蓄电池的使用寿命和安全性。

2.1.1 蓄电池温度采集

LVPS接收来自网络监控系统(Vehicle Monitoring System-VMS,VMS)的蓄电池温度信号。蓄电池温度采集过程如图4所示。

(1) 温度传感器连接到LVPS#1;

(2) LVPS#1接收电池温度信号;

(3) LVPS#1通过列车网络向VMS发送蓄电池温度信息;

(4) VMS向LVPS#1和LVPS#2发送蓄电池温度信息,LVPS使用该温度信息进行输出控制;

(5) LVPS#1和LVPS#2分别被安装在CC车和NC车上。

如果蓄电池温度低于-4 °F(-20 ℃)或高于140 °F(60 ℃),停止蓄电池温度补偿。在额定功率下,LVPS输出电压被控制在DC 35.5 V,防止蓄电池被过度充电,如图3所示。

GCU-门极控制单元。

此外,如果蓄电池温度低于-35 °F(-37 ℃)或高于140 °F(60 ℃)的工况持续20 ms,LVPS将触发蓄电池温度异常警报,通知司机或维修人员采取相应的措施。

蓄电池充电电压补偿曲线如图4所示。本项目环境温度范围设置在-29～49 ℃之间,且蓄电池温度可能高于环境温度。

图4 蓄电池充电电压补偿曲线

2.1.2 目标输出电压

根据温度补偿曲线来计算目标电压UT:

(1) 当蓄电池温度TB<-20 ℃或TB>60 ℃时,目标电压UT会被限制为DC 35.5 V,以确保蓄电池的充电安全,防止充电电压过高造成蓄电池组的损伤或爆炸;

(2)-4.8 ℃

(3) 20 ℃

2.1.3 实际输出电压

实际输出电压受负载影响,计算方法如下:

额定电流IR=12.5×1 000/UT;

无负载工况下输出电压U1=UT+1;

LVPS输出电流IDC由电流传感器测得;

理想输出电压U2=U1-IDC/IR;

考虑±2%的误差后,实际LVPS输出电压U3应该在如下范围之内:0.98U2

2.2 恒压控制

LVPS输出由温度补偿曲线所确定的目标电压,随着LVPS输出电流的减小,其输出电压随斜坡小幅逐渐增加,如在20 ℃时其斜坡特性为 (0 A,DC 38.5 V),(333 A,DC 37.5 V),如图3所示,即LVPS输出电压会随着输出电流在DC 37.5～38.5 V内以±2%的误差波动。

但以下工况LVPS输出电压可能会超出规定范围:

(1) 在直流限流模式。

(2) 直流负载突变,输出电压会被控制在额定LVPS输出电压的±10%;在蓄电池不作为直流负载的工况下,车载其他直流负载突变,LVPS最大输出电压不会超过DC 44.7 V。

(3) 输入电压突变,将导致LVPS输出电压发生持续100 ms的突变。

2.3 恒功率控制

根据温度补偿曲线确定输出目标电压,LVPS可以根据不同的目标电压保持额定功率12.5 kW输出。

2.4 限流、过流及短路保护

2.4.1 限流模式

当直流输出电流超过352 A(12.5 kW/DC 35.5 V),LVPS系统将激活限流模式,输出电流将被限制在352 A左右。

2.4.2 过流保护

当直流输出电流达到或超过500(1±3%) A,LVPS系统将激活过流保护,LVPS将停止输出3 s,如果电流值回到正常范围后可自动复位;如果在1 min内该工况连续发生3次,LVPS将永久停止工作,需要进行手动复位激活。

2.4.3 短路保护

在限流模式工况下,如果检测到输出电压小于DC 20(1±5%) V并持续5 s,短路保护将被激活,LVPS将停止输出3 s,如果电流值回到正常范围后可自动复位;如果在1 min内该工况连续发生3次,LVPS将永久停止工作,需要进行手动复位激活。

3 监控及故障诊断

可以通过网络控制系统VMS或便携式测试装置(Portable Test Unit,PTU)对LVPS系统的状态进行实时监控和故障诊断。

3.1 LVPS与网络系统VMS接口

LVPS与VMS的以太网接口满足IEEE 802.3系列标准和IEC 61375-3-4:2014《铁路电子设备 列车通信网络(TCN) 第3-4部分:以太网组成网络(ECN)》的相关要求。

3.2 状态监视

通过VMD对LVPS系统的运行状态进行监控,如图5所示。

图5 LVPS系统状态监控

3.3 故障诊断

VMS可以实时显示及查询历史故障信息,如图6所示,指导司机或维修人员及时应对和处理故障。通过故障存储功能,维修人员可以通过PTU下载故障记录用于故障的分析和处理。

图6 故障信息实时显示与下载分析

4 试验验证

本文对LVPS在正常和非正常温度工况下的输出电压控制及故障诊断能力的试验验证过程进行了阐述。通过LVPS的实时数据管理(Real Time Data Monitoring,RTDM)数据可以获得蓄电池温度、充电电压、充电电流、LVPS输出电流、LVSP工作模式等信息,并将它们用于试验验证,如图7所示。

4.1 正常温度工况验证

在室温环境下,蓄电池放电30 min后,启动LVPS系统进行直流负载供电和蓄电池充电;在非限流模式下,当LVPS输出电流小于100 A后,测量输出电压U3,其应满足2.4.2中所规定的0.98U2

表2 正常温度工况下的试验结果

4.2 非正常温度工况验证

蓄电池放电30 min后,启动LVPS系统进行直流负载供电和蓄电池充电,分别对蓄电池温度传感器进行加热和降温操作,使温度达到140 °F(60 ℃)以上和-4 °F(-20 ℃)工况,并持续一段时间;在非限流模式下,当LVPS输出电流小于100 A后对输出电压测量,其应满足2.4.2中所规定的0.98U2

表3 非正常温度工况下试验结果

4.3 温度异常报警验证

由于蓄电池温度决定了其充电电压,因此在温度异常工况下,如果对蓄电池持续进行高压充电是十分危险的,为了防止这样的危险工况发生,一方面充电控制逻辑要将充电电压限制在一个合理的范围内,以保证其他直流负载的正常工作,而又不造成过充的现象;另一方面要通过蓄电池温度异常报警告知司机或维修人员及时采取措施。

为了验证温度异常报警功能,在非正常温度工况试验过程中使用热风枪对蓄电池温度传感器进行持续加热,使其超过预先定义的阈值,3 s后在VMD上查看,已显示“OUT OF RANGE battery temperature”报警信息。停止加热,待温度恢复正常范围5 min后故障自动解除。在温度超过阈值的工况下,LVPS输出电压会被限制在35.5 V左右,从而保障蓄电池的充电安全。

5 结束语

本文从系统组成、输出电压控制、状态监控、故障诊断及试验验证等几个方面系统性地阐述了波士顿地铁直流辅助系统的研究与设计,重点研究了异常温度工况下的充电控制逻辑,避免由于过度充电而导致的蓄电池组损伤或爆炸的风险,使其输出电压能够同时满足直流负载正常工作及蓄电池组安全充电的需求,并通过了试验验证和运营考核。