城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展

城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展

王麒淋 才倩

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000

摘要：辅助电源系统作为地铁车辆的关键子系统，为地铁车辆上的空调通风系统、照明系统、乘客信息系统、列车控制与管理系统等不同负载提供电源。基于此，本文重点论述了城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展。

关键词：城轨地铁；辅助电源系统；研究

辅助电源系统是地铁车辆牵引控制系统的重要组成部分，其工作的安全性和可靠性对车辆正常运营有着重要影响。在车辆设计前期需对系统组成、容量范围、功能、性能要求等进行计算、分析、比较，选择合适的系统、设备和参数，构成最优的辅助电源系统，从而满足车辆运营要求，降低系统全生命周期成本。

一、辅助电源系统组成

地铁车辆辅助电源系统包括：辅助高压箱、隔离开关箱、使用IGBT功率器件的三相逆变器系统、隔离变压器、输出滤波器、整流器、直直变换加高频变压器隔离、蓄电池组、系统控制电路等。

地铁辅助电源系统有3种电源输出，即为三相工频交流电压380V、直流电压110V、直流电压24V，为车辆照明、空调、列车控制、故障诊断系统、蓄电池、电动车门、显示回路、车辆通信信号装置提供电源。

地铁车辆辅助电源系统包含：辅助髙压箱、辅助隔离幵关箱、辅助电源(含DC110V充电机与DC24V电源)、扩展供电箱。在常规状态下，地铁车辆负载的用电需求需用2台辅助逆变器输出能力满足；在其中一台辅助电源发生故障时，另一台辅助电源将能承受6辆地铁车辆运行所需负载，此时空调制冷能力和空气压缩机组数量减半。

二、辅助电源系统特点

辅助电源电路由逆变电路、直流变换器电路组成。系统釆用电压型逆变电路(DC/AC)，具有如下特点：①釆用大功率IGBT元件，具有高频开关特性好、驱动简单等特点；②采用大功率IGBT逆变器模块与变换器模块，模块化设计，无吸收电路，具有结构紧凑、体积小、维护方便等特点；③快速和精确的DSP控制及输出电压闭环控制，具有自诊断及故障数据记录功能；④采用热管自然冷却，具有运行噪声低、维修保养工作量小等特点；⑤逆变电路简单、元器件少；⑥具有蓄电池恒压、限流充电要求的输出性能，蓄电池过放时，有限流放电保护特性；⑦当其中一台辅助逆变器故障时，闭合扩展供电箱开关，系统能正常工作，但负载需减半；⑧车辆安装有2个蓄电池箱，包含DC110V、DC24V各一组，提供控制电源及车辆应急电源给辅助电源系统。而且在车辆无网压时，能向车辆内部系统照明、通气、电子装置等设备提供工作电能。

三、辅助电源系统需满足的基本要求

1、具有输入电压突变能力。辅助电源当输入电压突升或突降时能正常工作，以适应车辆运营在电网分段区时的瞬变电压。

2、具有输入电压瞬时中止能力。当车辆跳弓造成输入电压短时间瞬时中止，辅助电源系统应能正常工作。

3、具有额定输出能力。DC1500V时，辅助电源能在DC1200V～2000V间输出额定功率；DC750V时，辅助电源能在DC600V～900V间输出额定功率。

4、具有过载能力。辅助电源系统应有充足的过载能力，辅助电源能最少承受1.5倍并连续10s时间的短时过载。

5、具有负载突变能力。通常，系统负载突然变动时，辅助电源系统应能正常工作。辅助电源应具有负载直接启动与切除能力，其输出电压的瞬时值在+15％及-20％间变化，并在300ms内能达到稳定，负载的不断变化可满足车辆运行基本要求。

6、输出波形谐波失真小，输出的交流电压基波为正弦波，精度为±5％，输出的直流电压精度为±3％，谐波失真均小于5％。

四、辅助电源装置运行原理

1、输入滤波电路，其能降低1500V接触网的DC电源整流波纹，减少进入变流器的高谐波电流。

2、变流器电路，恒压恒频(CVCF)变流器具有产生三相交流电压功能，变流器控制方法也是三级PWM方法(使用IGBT)。

3、交流输出滤波电路，它利用变压器实现380V电路与1500V接触网高压电气隔离。交流输出滤波电路能降低切换纹波及谐波，产生低畸变输出电压。

4、蓄电池充电器电路，其提供1lOV直流电给列车蓄电池充电，并为列车1l0VDC控制电路及列车24VDC控制电路供电。

五、蓄电池充电器

蓄电池充电器的输出电压及电流通过HCT2反馈(FB)至控制电路。该电流反馈(FB)值由控制限制器限制。将电压指令与输出电压及电流的反馈值比较，以产生电压误差。将电压误差输入电压控制器。电压控制器的输出在A/D(模拟/数字)转换器中转换，A/D(模拟/数字)转换器的输出输入到主控制器。主控制器通过AC380V的相位同步为IGBT产生闸极脉冲。DC-DC转换器与DC110V电池线路相连，为负载提供稳定的DC24V电压。蓄电池充电器控制电路的基本控制方法为：控制电路具有低压控制器及大电流控制器。电压控制器将可控硅转换器的输出电压保持在恒定值。输出电压随输出电流从110V+3%降到110V-3%，此特性可用于电池充电器电流平衡。此外，电流控制器可在过电流条件下将输出电流限制在110%以内。

六、交流辅助电源系统

交流辅助电源系统主要利用辅助变流器产生三相交流电压，为机车和动车组上的辅助电气设备供电。辅助变流器的主电路根据输入侧的不同可分为交-直-交型、直-交型；根据输出的不同，可分为恒压恒频(CVCF)逆变器及变压变频(VVVF)逆变器；根据主电路电平级数的不同，可分为两电平辅助变流器及三电平辅助变流器。动车组辅助逆变器一般为CVCF逆变器。在机车上，除提供恒压恒频辅助变流器外，为节约能耗、降低通风机噪声，还根据设备在不同状态下所需功率来调节电压及频率的VVVF辅助变流器。通常，同一车型上的CVCF逆变器及VVVF逆变器的硬件结构相同，但控制方式不同。三电平辅助变流器的特点是降低了开关器件的耐压等级，输出波形好，谐波少，但使用了更多的器件和复杂的控制模式，所以随着电力电子器件的发展，结构及控制简单的两电平辅助变流器占据了主流地位。

1、交-直-交型辅助变流器。其由牵引变压器的辅助绕组供电，与牵引变流器一样，一般由网侧变流器、中间直流电路和三相逆变器组成。由于接触网电压波动大，所以交-直-交型辅助变流器的单相交流电输入波动大。为获得稳定的中间直流电路电压，辅助变流器的网侧必须采用可控整流电路。以往大多采用相控整流电路，电路及控制简单，造价低，但网侧功率因数低，对电网影响大。随着电力电子技术的发展，脉冲整流器已开始取代相控整流器，它能使使网侧功率因数接近1，具有良好的动态响应。

2、直-交型辅助变流器。它从直流电网(DC750V或DCl500V)或直接从牵引变流器的中间直流链路取电，逆变器实现从直流电到三相交流电的转换。直-交型辅助变流器已越来越广泛地应用于机车、动车组、城轨等场合。由于输入电压较高，为确保输出辅助电气设备所需的电压等级，通常需增加降压设备。有两种方法：一种是先逆变，然后通过三相降压变压器将较高交流电压降低到所需电压等级；另一种是通过降压电路将直流输入电压降低到合适值，然后逆变。为获得高质量的三相交流电源，通常需添加滤波链路。在方式一中，三相电抗器/电容器滤波或三相LC滤波器可置于逆变器及降压变压器间或变压器之后。方式二中，滤波器置于逆变器输出之后。

3、直流电源系统。其是为列车照明及控制系统(包括应急供电)供电的重要系统，电压等级通常为DCll0V。CRH5型动车组采用DC24V，虽然省略了110V到24V的转换，但直流母线电压低，同一功率发放时电流大，使用的线缆粗，损耗大，抗干扰能力差。直流电源系统包括蓄电池及蓄电池充电机。正常情况下，蓄电池充电机向直流负载供电，对蓄电池浮充电；当电网断电时，直流负载由蓄电池供电。蓄电池充电机的输入通常为辅助逆变器输出的三相恒压恒频交流电，或交-直-交型辅助变流器的中间直流电压，或牵引变流器中间直流电压经降压斩波后的电压。

参考文献：

[1]王镇.城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展[J].企业文化旬刊,2016(04).

[2]赵清良.城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展[J].机车电传动，2016(01).