張帝

摘 要：城軌車輛的運(yùn)行，需借助電力資系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)。建立車輛輔助供電系統(tǒng)交叉并網(wǎng)供電模式，有助于提高供電的連續(xù)性及穩(wěn)定性。基于此，本文簡(jiǎn)要介紹了城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的類型，并對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載及供電需求進(jìn)行了分析。重點(diǎn)從并網(wǎng)模式的設(shè)備配置、控制方式、參數(shù)設(shè)計(jì)、整流器與逆變器的控制四方面，對(duì)該模式的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了總結(jié)，僅供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；輔助供電系統(tǒng)；交叉并網(wǎng)供電模式

中圖分類號(hào)：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）15-0051-02

隨著城市軌道交通客流量的不斷加大，交通領(lǐng)域?qū)囕v可靠性的要求逐漸提升。電力能源，是城市軌道車輛運(yùn)行所需的主要能源。根據(jù)供電系統(tǒng)及供電模式的不同，電力能源的供應(yīng)效果同樣不同。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，將輔助電路AC 380V以及DC 110V，應(yīng)用到城軌車輛輔助供電交叉并網(wǎng)供電模式中，可有效提高供電的穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)上述模式的實(shí)現(xiàn)方式加以研究。

1 城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的供電模式

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的供電模式，包括交叉供電、擴(kuò)展供電，以及并網(wǎng)供電三種[1]。不同模式的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方式如下：（1）交叉供電：該供電模式下，車輛中，每個(gè)輔助變流器，均需單獨(dú)對(duì)某一負(fù)載進(jìn)行供電。此時(shí)，如變流器出現(xiàn)故障，負(fù)載的功能將無法實(shí)現(xiàn)，車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性，同樣會(huì)有所下降。（2）擴(kuò)展供電：該供電模式下，車輛每個(gè)輔助變流器，均需對(duì)相應(yīng)單元的中壓負(fù)載進(jìn)行供電。采用上述方式供電，如變流器出現(xiàn)故障，隔離故障逆變器，會(huì)立即將供電接觸器進(jìn)行擴(kuò)展。進(jìn)而確保故障范圍內(nèi)的負(fù)載，能夠繼續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。（3）并網(wǎng)供電：該供電模式下，城軌車輛中，輔助變流器均需由母線供電。當(dāng)變流器出現(xiàn)故障后，將其自供電系統(tǒng)中斷開，負(fù)載則仍能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。通過對(duì)三種供電模式的對(duì)比及分析發(fā)現(xiàn)，將交叉并網(wǎng)供電模式，應(yīng)用到城軌車輛的輔助供電系統(tǒng)中，將能夠更大程度的滿足車輛的運(yùn)行需求。

2 城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的負(fù)載與供電需求

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)，對(duì)負(fù)載容量、電源容量，以及負(fù)載類別的需求如下：

2.1 負(fù)載容量需求

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)對(duì)負(fù)載容量的需求，與其電機(jī)容量需求存在一定的聯(lián)系[2]。在系統(tǒng)無故障的前提下，電機(jī)容量的計(jì)算公式如下：

P=P1×Q×K/（102×3600×9.8）/φ/φ

上述公式中，P代表電機(jī)的容量，P1代表全壓（通常為2000Pa），φ代表全壓效率（通常為0.7），K代表容量系數(shù)（可取值為1.2），Q代表風(fēng)量。車輛運(yùn)行過程中，如逆變器同時(shí)運(yùn)行，電機(jī)的供電，將產(chǎn)生一定的損耗。計(jì)算系統(tǒng)的負(fù)載需求時(shí)，應(yīng)充分考慮到上述問題。本課題所選的車輛，空壓機(jī)排氣量，為1.5m3/min，壓縮指數(shù)為1.4，排氣量轉(zhuǎn)換，為1.667kPa/s。結(jié)合上述參數(shù)及公式，既可計(jì)算出輔助供電系統(tǒng)的負(fù)載容量需求。

2.2 電源容量計(jì)算

本課題所選車輛為火車，負(fù)載供電電壓，以三相電壓為主。車輛的負(fù)載類型較多，電機(jī)、逆變器、油泵、通風(fēng)機(jī)等，均屬于重要負(fù)載。以主逆變器為例，該元件的功率為8kW，負(fù)載系數(shù)為1。通過對(duì)該元件有功功率的觀察發(fā)現(xiàn)，根據(jù)季節(jié)的不同，元件的功率參數(shù)無顯著差異，功率因數(shù)均為9.4。但如考慮到所有元件的負(fù)載及容量，冬季與夏季，輔助供電系統(tǒng)的電源容量需求，則有所差異。假設(shè)逆變器的效率，為0.96。則系統(tǒng)冬季的電源需求，為80.6kVA，夏季，系統(tǒng)的電源需求，為82.7kVA。按照上述需求，確定車輛輔助供電系統(tǒng)的負(fù)載既可。

2.3 負(fù)載類別設(shè)置

不同車輛的安全等級(jí)不同，因此，車輛的負(fù)載，同樣應(yīng)有所不同。一般情況下，如DC 110V、蓄電池的供電不允許停電，則可將車輛的負(fù)載，劃分為“控制系統(tǒng)”、“故障系統(tǒng)”兩種。如在同樣的條件下，供電允許暫停。則可將車輛的負(fù)載，分為“照明燈具”、“游客信息系統(tǒng)”等部分。部分乘客出行，常攜帶小功率的電器（如：手機(jī)、平板電腦）。此時(shí)，供電系統(tǒng)應(yīng)與AC 220V/50Hz為主，以滿足乘客的需求。輔助供電系統(tǒng)交叉并網(wǎng)供電模式設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)借助上述分類設(shè)置模式，對(duì)負(fù)載進(jìn)行分類，以針對(duì)性的滿足不同負(fù)載的不同需求。

3 城軌車輛輔助供電系統(tǒng)交叉并網(wǎng)供電模式的實(shí)現(xiàn)

為提高城軌車輛供電系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，有關(guān)領(lǐng)域應(yīng)采取以下措施，使交叉并網(wǎng)供電模式得以實(shí)現(xiàn)：

3.1 交叉并網(wǎng)供電模式設(shè)備配置

為滿足交叉并網(wǎng)模式下，車輛各負(fù)載的運(yùn)行需求。本課題將該模式下的設(shè)備，分為了負(fù)載、輔助變流器、高壓電氣箱三種。

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的供電模式設(shè)備配置方式下，共包括負(fù)載4個(gè)、輔助變流器4個(gè)，高壓電氣箱1個(gè)[3]。其中，2個(gè)負(fù)載，需直接與4個(gè)輔助變流器相互連接。而另外2個(gè)負(fù)載，則需與中壓母線接觸器相互連接。經(jīng)中壓母線，實(shí)現(xiàn)與輔助變流器的連接。輔助變流器，需經(jīng)輔助母線，與各個(gè)負(fù)載相互連接。上述設(shè)備配置方案，充分整合了交叉供電模式，與并網(wǎng)供電模式。使得兩者的優(yōu)勢(shì)，得到了共同的體現(xiàn)。當(dāng)輔助變流器出現(xiàn)故障后，中壓母線接觸器，可代替其發(fā)揮作用，確保負(fù)載仍能夠得到供電，確保其能夠穩(wěn)定、安全的運(yùn)行。

3.2 交叉并網(wǎng)供電模式控制方式

3.2.1 正常運(yùn)行時(shí)的控制方式

當(dāng)車輛輔助供電系統(tǒng)無故障，且能夠正常運(yùn)行時(shí)，輔助變流器對(duì)負(fù)載的控制方式如下：（1）將車輛激活，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)變流器進(jìn)行檢測(cè)。如發(fā)現(xiàn)某變流器的網(wǎng)壓信號(hào)，在DC 900V一上。則表明該變流器，處于待運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，將中壓母線接觸器閉合既可。（2）當(dāng)車輛激活后，輔助供電系統(tǒng)，需在收到“輔逆正常”的信號(hào)后，方可啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。反之，輔助變流器則無法啟動(dòng)。（3）當(dāng)TCMS收到系統(tǒng)所提供的反饋信號(hào)后，可立即停止運(yùn)行[4]。此時(shí)，其余變流器，則可相互溝通，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，確保供電的過程能夠連續(xù)進(jìn)行。需注意的是，當(dāng)閉合指令發(fā)出后，繼電器的線圈，會(huì)隨之作出動(dòng)作。進(jìn)而作用于開關(guān)，使其開啟或閉合。因此，為確保輔助變流器能夠?qū)ω?fù)載進(jìn)行控制，確保開關(guān)性能無異常是關(guān)鍵。

3.2.2 故障運(yùn)行時(shí)的控制方式

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)使用過程中，常見的故障類型較多。其中，通訊故障、網(wǎng)絡(luò)故障、短路，均為較為嚴(yán)重的故障。以通信故障為例，當(dāng)該故障發(fā)生后，輔助變流器的運(yùn)行，必然會(huì)受到阻礙。此時(shí)，為確保供電能夠連續(xù)進(jìn)行。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)默認(rèn)輔助變流器損失。在此基礎(chǔ)上，將其負(fù)載減少。以確保負(fù)載能夠被分配給其余輔助變流器，使負(fù)載能夠正常運(yùn)行。再如網(wǎng)絡(luò)故障，車輛網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生后，運(yùn)行將無法進(jìn)行。此時(shí)，需通過緊急牽引的方式，作好故障準(zhǔn)備。緊急牽引期間，車輛會(huì)經(jīng)中壓母線，將信號(hào)傳遞給接觸器箱。進(jìn)而使輔助變流器，能夠被隔離在供電系統(tǒng)之外，使其能夠在隔離狀態(tài)下運(yùn)行。

3.3 供電系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，確保電壓能夠連續(xù)供應(yīng)，保證整流裝置能夠靈活使用是關(guān)鍵。當(dāng)網(wǎng)壓為25kV時(shí)，將額定電壓，設(shè)置為AC 400V較為適宜。當(dāng)網(wǎng)壓為19kV-29kV時(shí)，將額定電壓，設(shè)置為AC 304V-AC 464V較為適宜。上述設(shè)置方式，能夠有效滿足城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)電力資源的需求。整流裝置，為城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的重要組成部分，該裝置的輸出功率，一般為逆變器以及負(fù)載的容量之和?？紤]到供電系統(tǒng)的供電容量，受季節(jié)的影響較大。因此，參數(shù)計(jì)算過程中，應(yīng)計(jì)算出不同季節(jié)負(fù)載，以及繞組的容量，方可得出供電系統(tǒng)整流裝置的最終容量。

3.4 系統(tǒng)整流器及逆變器

3.4.1 整流器控制方案

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)中應(yīng)用的整流器，以PWM整流器為主。為確保整流器能夠穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其電壓、PWM波以及電流進(jìn)行控制是關(guān)鍵。以電流的控制為例，電流控制的關(guān)鍵，在于對(duì)相位以及幅值進(jìn)行控制。對(duì)此，有關(guān)人員可將PWM整流器的輸出電壓，及其標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行對(duì)比。如兩者之間存在差值，則需將差值，輸入至PI調(diào)節(jié)器當(dāng)中。并根據(jù)PI調(diào)節(jié)器所顯示的正弦波以及余弦波信號(hào)，對(duì)電流進(jìn)行優(yōu)化控制，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.4.2 逆變器控制方案

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)中，逆變器所使用的PWM技術(shù)，與整流器技術(shù)恰恰相反。對(duì)于逆變器而言，其元件的開通與關(guān)閉，均需在交流電的控制下實(shí)現(xiàn)。為避免諧波的存在，對(duì)逆變器的性能造成影響。建議采用濾波器，將諧波去除，以增強(qiáng)逆變器的性能。電壓反饋控制，為逆變器控制的主要方法之一。對(duì)此，有關(guān)人員可將反饋電壓，與正弦調(diào)制信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)而對(duì)電壓波形進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

3.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果

為判斷上述設(shè)計(jì)方式，是否能夠達(dá)到提高城軌車輛輔助供電系統(tǒng)供電穩(wěn)定性的目的。本課題采用仿真實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了觀察。本文所用仿真軟件，以multisim軟件為主。通過對(duì)仿真結(jié)果的觀察發(fā)現(xiàn)，將交叉并網(wǎng)供電模式，應(yīng)用到城軌車輛輔助供電系統(tǒng)中后，系統(tǒng)供電的連續(xù)性明顯提升。當(dāng)某輔助變流器出現(xiàn)故障后，負(fù)載仍可繼續(xù)運(yùn)行。表明，交叉并網(wǎng)供電模式的應(yīng)用，在提高城軌車輛輔助供電系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，取得了良好的效果。

4 結(jié)語

綜上所述，對(duì)城市軌道車輛輔助供電系統(tǒng)交叉并網(wǎng)供電模式的研究，能夠?yàn)槲覈?guó)交通行業(yè)的發(fā)展，提供技術(shù)參考指標(biāo)。進(jìn)而使車輛的供電系統(tǒng)得以完善，使其供電穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。對(duì)此，我國(guó)交通領(lǐng)域，應(yīng)視自身的需求，選擇輔助系統(tǒng)類型。在此基礎(chǔ)上，從“正?！迸c“故障”兩方面入手，建立供電模式控制方式。并積極優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，合理選擇整流器及逆變器，提高城軌車輛供電水平。

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