馬穎濤

城市軌道交通車輛輔助逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)

馬穎濤1，2

（1.中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，100044，北京；2.北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，100094，北京//助理研究員）

以輕量化為主線，從供電模式、變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新器件應(yīng)用三個(gè)方面，綜述了城市軌道交通車輛輔助逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，輔助逆變電源朝著輕量化的方向不斷改進(jìn)：采用并聯(lián)供電方式替代擴(kuò)展供電和交叉供電，降低整車電源總?cè)萘?；采用中頻化技術(shù)，取消工頻隔離變壓器，降低體積質(zhì)量；采用碳化硅（SiC）器件替代Si基IGBT（絕緣柵雙極晶體管），減小電感、電容、冷卻系統(tǒng)的體積質(zhì)量。以并聯(lián)供電、中頻化技術(shù)、新器件應(yīng)用為代表的輕量化技術(shù)是城市軌道交通車輛輔助逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)。

城市軌道交通車輛；輔助逆變電源；輕量化

Author′s addressLocomotive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，100044，Beijing，China

近年來，我國城市軌道交通（以下簡為“城軌”）建設(shè)快速發(fā)展，城軌車輛需求旺盛。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2016年全國就有59個(gè)城軌車輛招標(biāo)，車輛需求達(dá)9 794輛。據(jù)此推算，僅其中牽引系統(tǒng)（包括輔助逆變電源（APS））的投入即超百億元。

APS是牽引系統(tǒng)的重要組成部分，為全列車的中壓交流負(fù)載供電。文獻(xiàn)［1-5］針對(duì)供電制式和逆變電源的電路選型展開了對(duì)比，但技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)仍有待梳理。

輕量化是公認(rèn)的綜合水平的最佳體現(xiàn)。功率密度是輕量化的量化指標(biāo)，功率密度越高，說明輕量化水平越高。APS經(jīng)歷數(shù)10年的發(fā)展演化，雖然具體技術(shù)種類多樣［6］，但輕量化貫穿始終。本文以輕量化為主線，從供電方式、變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新器件應(yīng)用等方面對(duì)這三類近年來的熱點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行討論分析，梳理發(fā)展趨勢(shì)，為業(yè)主和主機(jī)廠提供設(shè)計(jì)參考。

1 輔助逆變電源規(guī)格與輕量化

1.1規(guī)格

APS通常也被稱為輔助變流器、輔助逆變器、靜止逆變器（SIV），是城軌車輛的重要設(shè)備。其將列車的直流750 V或1 500 V供電變換為中壓380 V三相交流電，為列車上的中壓負(fù)載供電。

APS的負(fù)載既包括關(guān)乎列車制動(dòng)、牽引設(shè)備正常工作的空氣壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)，也包括影響乘客舒適度的空調(diào)、照明等設(shè)備。因此，列車對(duì)輔助供電系統(tǒng)的可靠性要求較高。

列車對(duì)APS最基本的需求是：容忍輸入直流電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變化，實(shí)現(xiàn)交流輸出電壓的穩(wěn)定。APS的基本規(guī)格參數(shù)皆圍繞此需求展開。

以某直流1 500 V供電APS為例，其基本的規(guī)格參數(shù)如表1所示。其中，輸入?yún)?shù)描述APS對(duì)輸入直流電壓的容忍能力；輸出參數(shù)描述APS交流輸出電壓的性能指標(biāo)；總體信息描述APS整機(jī)規(guī)格和功能；其它信息包括APS容許負(fù)載的信息。

1.2輕量化水平

輕量化最能體現(xiàn)APS的綜合技術(shù)水平。在滿足用戶需求的前提下，通常越是性能優(yōu)異、技術(shù)先進(jìn)，其體積越小、質(zhì)量越輕。輕量化、小型化是技術(shù)進(jìn)步的永恒主題。

表1 某型號(hào)APS基本技術(shù)參數(shù)

功率密度越高，則輕量化程度越高?，F(xiàn)選取國內(nèi)外著名品牌的代表產(chǎn)品（見表2），介紹當(dāng)前APS的輕量化水平。

表2 APS代表產(chǎn)品

圖1所示為各代表產(chǎn)品的功率密度對(duì)比。目前，我國大部分APS都采用工頻化技術(shù)，西門子的MTP_MF中頻化平臺(tái)APS的功率密度顯著領(lǐng)先同類產(chǎn)品，是國內(nèi)市場的代表產(chǎn)品。日系A(chǔ)PS產(chǎn)品通常采用自然冷卻，因此輕量化水平并不高。

APS通過自身減重，降低車輛載荷，能實(shí)現(xiàn)持久的節(jié)能效益。以功率密度為0.092kVA/kg的日系產(chǎn)品為例，如果其功率密度能提高到0.15kVA/kg，則單個(gè)變流器減重540kg。若列車上APS單元個(gè)數(shù)較多，APS輕量化帶來的節(jié)能效果將更明顯。

圖1 APS功率密度對(duì)比

2 供電方式

考慮到可靠性和冗余設(shè)計(jì)，列車通常需要多臺(tái)APS。多臺(tái)APS應(yīng)考慮如何配合為中壓系統(tǒng)供電，并滿足供電可靠性的需求。

不同供電方式下，電路結(jié)構(gòu)和軟件控制的復(fù)雜程度、物料成本有顯著區(qū)別。在保證滿足整車需求的前提下，討論不同供電制式對(duì)于APS容量的需求和對(duì)輕量化的影響。

2.1集中式供電

集中式供電有擴(kuò)展供電和交叉供電兩種方式。通常集中式供電采用2臺(tái)APS。若APS的數(shù)量增多，則整個(gè)中壓供電系統(tǒng)會(huì)過于復(fù)雜，影響經(jīng)濟(jì)性。

（1）擴(kuò)展供電。中壓母線從列車中間分為兩段，之間設(shè)置擴(kuò)展供電接觸器，全列車2臺(tái)APS分別為其所在半列中壓母線供電。當(dāng)1臺(tái)APS發(fā)生故障時(shí)，閉合擴(kuò)展供電接觸器，由另1臺(tái)APS為全列中壓母線供電，部分負(fù)載需減載運(yùn)行。

（2）交叉供電。列車中壓母線分為兩組，將負(fù)載平均分為兩部分，2臺(tái)APS分別為這兩組母線供電。當(dāng)1臺(tái)APS發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)供電區(qū)域的負(fù)載將無法工作。

2.2并聯(lián)供電

列車中壓母線貫穿全列，多臺(tái)APS單元并聯(lián)工作，自動(dòng)均分整列負(fù)載［7］。并聯(lián)供電的列車母線復(fù)雜性較低，可靈活配置APS單元數(shù)量，4個(gè)或6個(gè)較常見。

當(dāng)某個(gè)APS發(fā)生故障時(shí)，停機(jī)退出并聯(lián)，其余APS繼續(xù)向母線供電。因此，并聯(lián)供電能實(shí)現(xiàn)列車中壓的不間斷供電。列車通過負(fù)載管理，根據(jù)全部可用電源容量，按照優(yōu)先級(jí)管理負(fù)載的投切。

2.3容量需求與輕量化

通過分析不同供電方式下整車對(duì)APS容量的需求，可發(fā)現(xiàn)并聯(lián)供電方式有助于降低整車APS容量。以某地鐵項(xiàng)目為例，APS必須同時(shí)滿足以下需求：①滿足實(shí)際負(fù)載以外，容量有15%的裕度；②1臺(tái)APS故障對(duì)列車幾乎沒有影響。

整車中壓交流負(fù)載總?cè)萘繛?27kVA，空調(diào)半載時(shí)整車負(fù)載容量為218kVA。集中供電方式按2臺(tái)APS考慮，由于交叉供電無法滿足上述需求②，一旦有APS發(fā)生故障，必然有一部分負(fù)載無法切換到另外一組母線，因此集中供電方式只討論擴(kuò)展供電。并聯(lián)供電方式按4臺(tái)APS考慮。

計(jì)算得兩種供電方式下APS的總?cè)萘啃枨?，如?所示。為滿足上述需求②，若采用并聯(lián)供電方式，APS總?cè)萘康男枨髢H為436 kVA；若采用擴(kuò)展供電方式，必須顯著增大變流器的單體容量到327 kVA，此時(shí)整車APS總?cè)萘扛哌_(dá)654 kVA，比并聯(lián)供電方式時(shí)的整車APS總?cè)萘吭龃笠话搿?/p>

表3 兩種供電方式下APS容量需求kVA

顯然，采用并聯(lián)供電方式時(shí)APS總?cè)萘啃枨筝^低。這將非常有助于降低全列車APS的總質(zhì)量。而且并聯(lián)供電方式的整車中壓母線設(shè)計(jì)和配電更加簡單，也有助于整車輕量化。

因此，并聯(lián)供電技術(shù)降低了整車對(duì)APS總?cè)萘康男枨?促進(jìn)了整車的輕量化水平提升。該技術(shù)已在高鐵和地鐵車輛上成熟應(yīng)用，成為主流趨勢(shì)。從擴(kuò)展供電、交叉供電向并聯(lián)供電過渡，本質(zhì)上是用控制技術(shù)的創(chuàng)新替代硬件設(shè)備的復(fù)雜性，從而節(jié)約資源。

3 工頻技術(shù)與中頻技術(shù)

APS通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入直流與輸出交流之間的電氣隔離。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和隔離變壓器工作頻率不同，APS的技術(shù)路線可分為工頻技術(shù)與中頻技術(shù)兩種。傳統(tǒng)的工頻技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，但體積、質(zhì)量較可觀。中頻技術(shù)采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可顯著提高輕量化水平，是近10年來的熱點(diǎn)技術(shù)。

3.1工頻技術(shù)

工頻技術(shù)的APS方案如圖2所示。直流輸入電壓先三相逆變，然后通過工頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離和降壓，濾波后得到正弦三相交流電。

圖2 工頻技術(shù)示意圖

工頻變壓器通是APS的最大單體部件，通常能占整機(jī)質(zhì)量的30%～40%。例如，時(shí)速380 km動(dòng)車組CRH380B中160 kVA的APS，總重1.4 t，工頻變壓器重560 kg；西門子公司的73 kVA城軌APS，總重810 kg，其中變壓器重286 kg。且功率等級(jí)越高，工頻變壓器的體積質(zhì)量越大，給APS的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)、重心控制等造成困難。

3.2中頻技術(shù)

提高工作頻率以實(shí)現(xiàn)輕量化，是電力電子領(lǐng)域的常用思路。綜合考慮城軌車輛APS的功率等級(jí)、電壓等級(jí)、效率等因素，可將APS的工作頻率提高到中頻20 kHz附近。其基本原理如圖3所示。直流輸入電壓首先由中頻DC/DC變流器得到穩(wěn)定的低壓直流電，再進(jìn)行三相逆變、濾波，得到正弦三相交流電。

圖3 中頻技術(shù)示意圖

中頻DC/DC變流器中的中頻變壓器取代工頻變壓器，實(shí)現(xiàn)變壓和電氣隔離。中頻DC/DC變流器可采用諧振軟開關(guān)技術(shù)，以進(jìn)一步降低損耗，減少冷卻單元的體積。中頻DC/DC變流器的輸出為穩(wěn)定的600 V低壓，因此逆變器可顯著提高開關(guān)頻率。在濾波效果相同的前提下，開關(guān)頻率的提高可顯著減小對(duì)正弦濾波器的需求。

3.3中頻技術(shù)的輕量化效果

（1）變壓器的輕量化。變壓器的體積質(zhì)量和工作頻率負(fù)相關(guān)，因此中頻變壓器的功率密度顯著高于工頻變壓器。以兩款批量產(chǎn)品中的變壓器為例（見表4），中頻變壓器功率密度提高約9.6倍。

表4 中頻變壓器與工頻變壓器功率密度對(duì)比

（2）機(jī)組的輕量化。中頻技術(shù)使得變壓器體積顯著下降。即使考慮到系統(tǒng)復(fù)雜性增加，整個(gè)APS仍能實(shí)現(xiàn)30%～50%的減重效果。仍以上述兩款批量產(chǎn)品為例，中頻技術(shù)的APS功率密度提高了近1倍，如表5所示。

因此，中頻技術(shù)可顯著提高APS的輕量化水平。隨著應(yīng)用案例越來越多，中頻技術(shù)作為一種有效的輕量化變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

表5 中頻技術(shù)與工頻技術(shù)的APS功率密度對(duì)比

4 碳化硅器件的應(yīng)用

以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件具有損耗低（開關(guān)損耗降低80%）、耐高溫（耐溫由150℃提高到250℃）、宜高頻（更適用于100 kHz以上開關(guān)頻率）的顯著優(yōu)勢(shì)，將對(duì)電力電子變流器產(chǎn)生重大影響。APS也必然受益于此技術(shù)進(jìn)步。

1990年，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）開始替代GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）和晶閘管（Thyristor）；10年后，IGBT的市場份額爆炸性增長，取代了GTO；SiC經(jīng)歷10余年發(fā)展，已從中小功率等級(jí)開始切分傳統(tǒng)器件的市場份額。德國西門子公司統(tǒng)計(jì)并預(yù)測了功率半導(dǎo)體器件的市場份額，如圖4所示。

圖4 功率半導(dǎo)體器件市場份額

當(dāng)前，量產(chǎn)的SiC功率模塊已達(dá)1 700 V/300 A，其功率已達(dá)到城軌車輛APS的功率等級(jí)。SiC的應(yīng)用可顯著降低器件損耗，且滿足容忍更高工作溫度、顯著降低冷卻的需求。SiC器件可使得APS工作頻率提高到幾十kHz，將顯著降低變壓器、電抗器、電容器等被動(dòng)元件的體積質(zhì)量。據(jù)德國西門子公司2016年的研究報(bào)告，采用SiC器件的牽引系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)體積質(zhì)量減少30%，整機(jī)效率提高至少3%。日本三菱的SiC城軌變流器體積質(zhì)量比其既有產(chǎn)品減少65%，變流器損耗下降30%?？梢灶A(yù)見，SiC器件的應(yīng)用將顯著提高城軌車輛APS輕量化水平。

5 結(jié)語

本文綜述了城軌車輛APS的輕量化發(fā)展趨勢(shì)，并從供電模式、變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、新器件應(yīng)用等方面進(jìn)行分析展望：

（1）并聯(lián)供電技術(shù)降低整車對(duì)APS總?cè)萘康男枨?，從源頭上促進(jìn)了輕量化。

（2）采用中頻化的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，取消工頻變壓器，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上提高輕量化水平。

（3）SiC功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，降低了冷卻裝置和被動(dòng)元件的體積質(zhì)量。

輕量化水平的不斷提升，將帶來持久的節(jié)能效果。隨著技術(shù)成熟度提升，各種輕量化技術(shù)將逐漸被市場接受。

［1］趙清良，劉清，曾明高．城軌地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)研究與發(fā)展［J］．機(jī)車電傳動(dòng)，2012（1）：52．

［2］杜求茂，陳中杰，彭駒．城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的比較分析［J］．電力機(jī)車與城軌車輛，2011（4）：53．

［3］康亞慶．地鐵車輛輔助系統(tǒng)兩種供電網(wǎng)絡(luò)的分析［J］．現(xiàn)代城市軌道交通，2009（4）：27．

［4］肖彥君，吳茂杉．城軌列車輔助供電系統(tǒng)的技術(shù)要求和電路選型［J］．現(xiàn)代城市軌道交通，2004（4）：24．

［5］陳恒謙．城軌車輛輔助逆變器設(shè)計(jì)選型與發(fā)展趨勢(shì)［J］．電力機(jī)車與城軌車輛，2012（4）：55．

［6］劉偉志，馬穎濤．城市軌道交通牽引系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展前景［J］．鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（4）：29．

［7］姜雪松，馬穎濤，王永翔．一種輔助變流器及其并聯(lián)控制方法：ZL201210417991.4［P］.2012-10-24.

Develop Trend of Auxiliary Power Supp ly for Urban Rail Transit Train

MA Yingtao

Recent development of APS is described from perspectives of parallel operation mode,converter topology and devices of the next generation.Follow ing technical progress，light-weight design of APS becomes the main development direction for urban rail transit trains.In which，parallel operation mode w ill replace the extended power supply and the cross power supply to reduce the total capacity of the train, median frequency technology is adopted to replace the power frequency isolating transformer，thus theweight of APSw ill be significantly reduced.In the future，application of the next generation power devices such as Silicon Carbine（SiC）w ill replace the silicon-based IGBT，leading to smaller cooling components，inductors and capacitors.All the light-weight technologies represent the development trend of APS.

urban rail transit train；auxiliary power supply（APS）；light-weighting

U270.38+1

10.16037/j.1007-869x.2017.07.021

2017-01-21）