奚華峰 王愛武

(南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，高級(jí)工程師)

地鐵列車輔助電源系統(tǒng)提供列車?yán)鋮s系統(tǒng)、空調(diào)、空氣壓縮機(jī)、照明等設(shè)備的正常供電。隨著地鐵列車對(duì)舒適性要求的提高，這些設(shè)備的使用越來越多，從而使得輔助逆變電源的容量也越來越大。本文將對(duì)輔助逆變電源的容量進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，并提出一種新的輔助電源系統(tǒng)方案。

1 通用輔助電源系統(tǒng)介紹

1.1 Alstom地鐵列車輔助電源系統(tǒng)

Alstom設(shè)計(jì)的地鐵列車一般都采用集中輔助電源供電。以6輛編組列車為例，在2個(gè)頭車上分別設(shè)置1個(gè)大功率的輔助逆變電源(SIV)，列車上的電源配置采用交叉供電方式。

1.1.1 SIV 的技術(shù)參數(shù)

1)額定輸入電壓為DC 1 500 V。

2)輸入電源特性符合IEC 60850。

3)額定負(fù)載效率＞90%。

4)交流電輸出特性:

·相數(shù)為3相4線;

·額定輸出電壓為AC 400(1±5%)V;

·輸出電壓波形近似正弦波;

·額定輸出頻率為50(1±1%)Hz;

·諧波電壓失真范圍＜10%;

·額定輸出容量為230 kVA，cosφ=0.85(φ為相位角);

·最大輸出容量為345 kVA，cosφ=0.70。

5)直流電輸出特性:

·額定電壓為DC 110 V;

·額定容量為22 kW(20℃);

·輸出紋波電壓＜2%額定電壓。

6)噪聲＜70 dB(A)(1 m內(nèi))。

7)工作溫度為－20～+40℃。

1.1.2 列車配電框圖

交、直流負(fù)載的配電分別如圖1、2所示。

圖1 Alstom輔助電源系統(tǒng)交流負(fù)載配電框圖

圖2 Alstom輔助電源系統(tǒng)直流負(fù)載配電框圖

1.2 Siemens地鐵列車輔助電源系統(tǒng)

Siemens設(shè)計(jì)的地鐵列車一般都采用分散式布置、并網(wǎng)用電的輔助電源供電方式。以6輛編組列車為例，在每輛車上均設(shè)置1個(gè)SIV，頭車的SIV含有直流輸出和充電功能。

1.2.1 SIV 的技術(shù)參數(shù)

1)額定輸入電壓為DC 1 500 V。

2)輸入電源特性符合IEC 60850。

3)額定負(fù)載效率＞90%。

4)3相交流電輸出特性:

·相數(shù)為3相3線;

·額定輸出電壓為AC 380(1±5%)V;

·輸出電壓波形近似正弦波;

·額定輸出頻率為50(1±1%)Hz;

·諧波電壓失真范圍＜5%;

·額定輸出容量為73 kVA，cosφ=0.85。

5)直流電輸出特性:

·額定電壓為DC 110 V;

·額定容量為20 kW;

·輸出紋波電壓＜2%額定電壓;

6)噪聲＜71.5 dB(A)(1 m內(nèi))。

1.2.2 列車配電框圖

交、直流負(fù)載的配電分別如圖3、4所示。

圖3 Siemens輔助電源系統(tǒng)交流負(fù)載配電框圖

圖4 Siemens輔助電源系統(tǒng)直流負(fù)載配電框圖

1.3 優(yōu)劣分析

雖然上述兩家公司的兩種電源配置有所不同，但每個(gè)SIV都是采用一組逆變模塊，形成一個(gè)整體的供電電源再給車載用電設(shè)備供電，所以都存在以下的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.3.1 優(yōu)點(diǎn)

1)輔助逆變器設(shè)備簡(jiǎn)單，有利于供電系統(tǒng)控制方案的解決。輔助變流器在得到DC 1 500 V和DC 110 V電流的輸入后就開始啟動(dòng)，并輸出AC 380 V電源，無需配電方面的控制，所以控制接口非常簡(jiǎn)單。

2)配電電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)于輔助變電器來講，主要的輸入、輸出線路有DC 1 500 V、DC 110 V、AC 380 V電源線及很少的控制線，其配電電路和控制接口非常簡(jiǎn)單。

1.3.2 缺點(diǎn)

1)輔助逆變器功率大，損耗也大。輔助逆變器的功率是根據(jù)極端情況下的最大負(fù)載來設(shè)置的，實(shí)際正常使用的輔助逆變器工作容量?jī)H在30%以下，在額定功率附近逆變電源工作效率是最高的(包括與之配套的電感、隔離變壓器等設(shè)備均如此)。所以，輔助逆變器實(shí)際使用的功率損耗是很大的，非常不經(jīng)濟(jì)。

2)無法實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備所需的變頻啟動(dòng)和控制要求?？照{(diào)壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備的啟動(dòng)電流非常大，很適合用變頻啟動(dòng)的方式來控制。但是，這種輔助逆變器同時(shí)還得給其它負(fù)載供電，故無法實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)，同時(shí)這些空調(diào)壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備負(fù)載的啟動(dòng)電流會(huì)對(duì)輔助逆變器造成損傷。

2 新的輔助電源系統(tǒng)方案

地鐵列車AV 380 V用電負(fù)載的情況分析見表1所示。

表1 地鐵列車AC 380 V負(fù)載統(tǒng)計(jì)表

地鐵列車中的AC 380 V負(fù)載大量是電機(jī)類的感性負(fù)載，若采用恒壓電壓，負(fù)載投入時(shí)對(duì)輔助逆變器的沖擊很大。特別是在大負(fù)載時(shí)空氣壓縮機(jī)的啟動(dòng)，對(duì)輔助逆變器會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊。所以，可以根據(jù)負(fù)載的容量大小將負(fù)載分為兩類:一類是空調(diào)壓縮機(jī)和空氣壓縮機(jī)，可以采用獨(dú)立的輔助逆變模塊單獨(dú)供電，并可實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng);另一類是冷卻風(fēng)機(jī)等，采用恒壓供電，并將整列車的AC 380 V并網(wǎng)供電，以提高冗余性。下面對(duì)新擬的輔助電源系統(tǒng)方案進(jìn)行描述。

2.1 供電網(wǎng)絡(luò)方案

如圖5所示，為一個(gè)單元(3節(jié)車輛)的情況，單元之間對(duì)稱分布。每節(jié)車配置一臺(tái)SIV。SIV由標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，主要有:

1)帶電壓隔離的前端DC/DC模塊;

2)直流110 V負(fù)載供電的負(fù)載DC/DC模塊;

圖5 新的輔助電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3)標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載DC/AC模塊。

根據(jù)不同的負(fù)載情況配置每節(jié)車的SIV:頭車SIV由前端DC/DC模塊、供DC 110 V負(fù)載的負(fù)載DC/DC模塊、供空調(diào)壓縮機(jī)的負(fù)載DC/AC模塊、供空氣壓縮機(jī)的負(fù)載DC/AC模塊和供其他穩(wěn)壓負(fù)載的負(fù)載DC/AC模塊等組成，供空調(diào)壓縮機(jī)的負(fù)載DC/AC模塊還可以給空氣壓縮機(jī)做冗余;中間車SIV比較簡(jiǎn)單，由前端DC/DC模塊、供空調(diào)壓縮機(jī)的負(fù)載DC/AC模塊和供其他穩(wěn)壓負(fù)載的負(fù)載DC/AC模塊等組成。供其他穩(wěn)壓負(fù)載的負(fù)載DC/AC模塊輸出采用全列車并聯(lián)的方式，提高了整列車的冗余性。

2.2 前端DC/DC模塊方案

一般要求整個(gè)中壓回路和高壓回路隔離，所以該模塊采用隔離變壓器隔離的高頻降壓電路設(shè)計(jì)。整個(gè)電路由高壓檢測(cè)、輸入濾波、預(yù)充電回路、支撐電容、逆變回路、隔離變壓、整流濾波等部分組成。前段DC/DC模塊原理如圖6所示。

圖6 前端DC/DC模塊原理圖

2.3 負(fù)載DC/DC模塊方案

負(fù)載DC/DC模塊的輸出主要給DC 110 V負(fù)載和蓄電池充電。由于前端模塊已考慮隔離，所以該模塊電路采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的BUCK電路就能實(shí)現(xiàn)功能(見圖7)。

圖7 負(fù)載DC/DC模塊原理圖

2.4 負(fù)載DC/AC模塊方案

該模塊采用簡(jiǎn)單的逆變電路(如圖8所示)。在給空調(diào)壓縮機(jī)或空氣壓縮機(jī)供電時(shí)采用變頻變壓控制，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和空調(diào)的變頻調(diào)節(jié);在作為穩(wěn)壓電源輸出時(shí)，對(duì)電壓波形的要求較高，所以在其輸出端增加濾波環(huán)節(jié)(如圖9所示)。

圖8 負(fù)載DC/AC模塊原理圖

2.5 優(yōu)缺點(diǎn)

該新擬的輔助電源系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):

圖9 負(fù)載DC/AC模塊(帶濾波)原理圖

1)可以根據(jù)項(xiàng)目的需要搭建不同的SIV配置，能更好地優(yōu)化SIV的功能;

2)針對(duì)空氣壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，降低電網(wǎng)諧波和沖擊;

3)針對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和變頻控制，并不受空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)的影響;

4)空調(diào)壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，也不需要為了降低噪聲而在車站停止工作;

5)空調(diào)壓縮機(jī)電源和空氣壓縮機(jī)電源可實(shí)現(xiàn)互為冗余，提高了系統(tǒng)的可靠性;

6)SIV統(tǒng)一由前端DC/DC模塊進(jìn)行處理，可以減少電網(wǎng)諧波、提高電網(wǎng)品質(zhì);

7)該系統(tǒng)采用模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性，并降低了系統(tǒng)的全壽命周期費(fèi)用。

但該新擬的輔助電源系統(tǒng)有以下缺點(diǎn):

1)該系統(tǒng)采用二級(jí)變流技術(shù)，整體控制比較復(fù)雜;

2)由于獨(dú)立模塊對(duì)應(yīng)負(fù)載，使得系統(tǒng)的動(dòng)力電纜的數(shù)量較多。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵列車上的設(shè)備越來越多，所需的電源容量總量越來越大，但是負(fù)載的使用率卻不是很高，為了保證極端情況下的用電能力，所以輔助電源系統(tǒng)和SIV的容量越做越大，不利于能量的合理利用和電源品質(zhì)的提高。本文提出的電源系統(tǒng)方案有針對(duì)性地將負(fù)載分類，合理地配置負(fù)載電源，能很好地解決這些問題，以起到節(jié)能低碳的效果。當(dāng)然，本文提出的設(shè)計(jì)方案還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。

［1］ 李網(wǎng)生，陳愛林，芮國(guó)強(qiáng)，等.地鐵車輛輔助電源的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2009(3):51.

［2］ 王鑫，趙清良.北京地鐵國(guó)產(chǎn)列車輔助電源系統(tǒng)及其改進(jìn)［J］.機(jī)車車輛工藝，2007(2):26.

［3］ 陳亞愛，李衛(wèi)海.同步Buck變換器的控制技術(shù)綜述［J］.電氣應(yīng)用，2010(8):32.