荊振文 鄭殿科

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

輔助供電系統(tǒng)是地鐵車輛中最重要系統(tǒng)之一，主要負(fù)責(zé)對(duì)車載設(shè)備的中壓及低壓供電。輔助供電系統(tǒng)包括輔助逆變器、充電機(jī)、DC 1 500 V 高壓母線、AC 380 V 中壓母線、DC 110 V 低壓母線等。其中輔助逆變器最為關(guān)鍵，其將DC 1 500 V 高壓轉(zhuǎn)換為車載所需要的各級(jí)電壓，以保證車輛正常運(yùn)行。并網(wǎng)供電的電源系統(tǒng)只是列車輔助供電系統(tǒng)的一種形式，其主要優(yōu)點(diǎn)是通過與列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）使輔助逆變器的使用率達(dá)到最大化，以節(jié)約能源。

在地鐵中，通過TCMS 實(shí)現(xiàn)對(duì)全列車輔助逆變器啟停的控制。如果控制方法設(shè)計(jì)不當(dāng)，控制策略有誤，則會(huì)出現(xiàn)部分正常的輔助逆變器不能成功啟動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)備減載，從而影響車輛運(yùn)行。因此，設(shè)計(jì)出一套輔助逆變器的啟停策略至關(guān)重要。此控制策略可實(shí)現(xiàn)當(dāng)單臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，所有中壓負(fù)載正常工作，使之對(duì)乘客及列車運(yùn)行無影響；任意2 臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，全車空調(diào)工作在半冷狀態(tài)，其它中壓負(fù)載正常工作，對(duì)乘客及列車運(yùn)行也無較大影響。

1 輔助供電系統(tǒng)

列車設(shè)置有一條跨接整列車的DC 1 500 V 輔助供電高壓列車線，可通過1 個(gè)受電弓對(duì)整車輔助系統(tǒng)電源供電。在Tc 車（帶司機(jī)室的拖車）和M 車（動(dòng)力車）各設(shè)1 臺(tái)輔助逆變器。每臺(tái)輔助逆變器有一組三相四線輸出，全列車4 臺(tái)輔助逆變器三相輸出并聯(lián)，構(gòu)成一路AC 380 V 列車母線，通過并網(wǎng)供電的方式給全列車的交流負(fù)載提供AC 380 V/50 Hz 的電源。當(dāng)任1 臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，通過斷開其輸出接觸器與列車中壓母線隔離，不影響其它輔助逆變器的正常工作。

在每個(gè)Mp 車（帶受電弓的動(dòng)車）設(shè)置有一個(gè)DC 1 500 V 的車間電源插座，集成在牽引高壓箱一側(cè)。若不能采用受電弓提供高壓DC 1 500 V 時(shí)，可通過庫內(nèi)的車間電源插頭，將其插入車間電源插座，實(shí)現(xiàn)對(duì)全車輔助逆變器的供電。輔助供電系統(tǒng)原理如圖1 所示。

2 TCMS 對(duì)輔助逆變器的控制結(jié)構(gòu)

TCMS 的控制單元（VCU）與列車各子系統(tǒng)通過多功能車輛總線（MVB）相連。輔助控制單元（ACE）具有MVB 接口，能有效地與VCU 進(jìn)行控制指令、狀態(tài)信息和故障信息交換, 實(shí)現(xiàn)TCMS 對(duì)ACE 的并網(wǎng)啟動(dòng)控制。司機(jī)顯示單元（DDU）同樣具有MVB 接口，其接入TCMS 后能實(shí)時(shí)顯示每一個(gè)輔助逆變器以及其他輔助設(shè)備的狀態(tài)信息、故障信息。TCMS 對(duì)輔助逆變器的控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 列車輔助供電系統(tǒng)原理圖

圖2 TCMS 對(duì)輔助逆變器的控制結(jié)構(gòu)

3 輔助逆變器分時(shí)序控制策略

3.1 輔助逆變器啟動(dòng)前提條件

TCMS 對(duì)輔助逆變器分時(shí)序控制之前需滿足以下條件：列車喚醒，司機(jī)室激活，列車蓄電池打開且狀態(tài)良好；TCMS 工作正常，且與ACE 通信正常；ACE 檢測(cè)到DC 1 500 供電電壓及DC 110 V 控制電壓存在，同時(shí)三相輸出繼電器短時(shí)閉合，用于檢測(cè)是否存在內(nèi)部短路和外部短路。此時(shí)，TCMS 需控制列車各負(fù)載處于不啟動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)以上條件均滿足時(shí)，TCMS 方可進(jìn)行輔助逆變器并網(wǎng)控制。

3.2 輔助逆變器控制信號(hào)

ACE 的控制信號(hào)有以下5 個(gè)：

1）DisableIdleAux：指定此輔助變流器為主設(shè)備，低電平有效，由TCMS 發(fā)送至ACE。

2）DisableStartAux：?jiǎn)?dòng)信號(hào)，低電平有效，由TCMS 發(fā)送至ACE。

3）LineVoltON：線電壓存在，高電平有效，由TCMS 發(fā)送至ACE。

4）ACMBusActive：ACE 母線激活, 高電平有效，由ACE 發(fā)送至TCMS。

5）ACMActOnBus：ACE 在母線激活,高電平有效，由ACE 發(fā)送至TCMS。

3.3 分時(shí)序的輔助逆變器并網(wǎng)控制啟動(dòng)

當(dāng)前所提條件滿足時(shí)，TCMS 將開始整個(gè)并網(wǎng)控制過程。TCMS 內(nèi)部設(shè)有一個(gè)28 s 的循環(huán)累加計(jì)數(shù)器（DIS_usTime_counter），每秒累計(jì)一次，從0 開始累加，累加值大于27 時(shí)累加值清零，再重新累加。此28 s 分成4 個(gè)時(shí)間片段，每個(gè)時(shí)間片段為7 s；每個(gè)時(shí)間片段，TCMS 指定1 臺(tái)輔助變流器啟動(dòng)，具體啟動(dòng)時(shí)間片段如表1 所示：

表1 啟動(dòng)時(shí)序表

分時(shí)序并網(wǎng)控制過程分為以下三個(gè)步驟：

1）選擇主設(shè)備、從設(shè)備。如果1 臺(tái)ACE 與TCMS 通信正常，其母線激活變量都未激活（ACMBusActive 和ACMActOnBus 均為0），而且其他3個(gè)通信正常的ACE 都不是主設(shè)備（DisableIdleAux=1），根據(jù)累加計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和啟動(dòng)時(shí)序表，設(shè)定ACE 是否為主設(shè)備（DisableIdleAux=0），同時(shí)將其他3 個(gè)ACE 設(shè)置為從設(shè)備（DisableIdleAux=1）。DIS_usTime_counter 默認(rèn)值為0，即默認(rèn)從C1 車的ACE 開始選擇是否作為主設(shè)備。TCMS 發(fā)出主設(shè)備設(shè)定指令后的7 s，收到相應(yīng)輔助變流器反饋的母線激活變量未激活（ACMBusActive=0），則復(fù)位此變流器為從設(shè)備（DisableIdleAux=1），同時(shí)TCMS 根據(jù)上述條件選擇下一臺(tái)ACE 是否作主設(shè)備。如輪詢完28 s 之后，車輛4 個(gè)ACE 作主設(shè)備時(shí)，車輛輔助逆變器未正常啟動(dòng)，則計(jì)數(shù)器復(fù)位為0，并將繼續(xù)按ACE1—ACE6 的順序開始重新輪詢選定主設(shè)備，并在條件滿足時(shí)發(fā)送輔助逆變器啟動(dòng)指令，如此循環(huán)，直至有輔助逆變器反饋母線激活信號(hào)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)成功。首次輪詢過程中，4 臺(tái)輔助逆變器均未啟動(dòng)成功，則通過司機(jī)室DDU 報(bào)ACE 故障。輔助逆變器主、輔設(shè)備選定流程如圖3 所示。

2）主設(shè)備啟動(dòng)。正常情況下，主設(shè)備ACE 與TCMS 通信正常，且此ACE 不存在內(nèi)部和外部短路故障，TCMS 也未診斷出有短路故障，當(dāng)計(jì)數(shù)器值滿足表1 時(shí)，TCMS 激活主設(shè)備并網(wǎng)啟動(dòng)指令（DisableStartAux=0）。主設(shè)備接收到主設(shè)備并網(wǎng)啟動(dòng)指令后，會(huì)閉合其所對(duì)應(yīng)的閉合母線接觸器，在5 s 內(nèi)完成ACE 啟動(dòng)。如TCMS 發(fā)出主設(shè)備啟動(dòng)指令后，檢測(cè)短路信號(hào)激活或收到降弓指令，則TCMS 復(fù)位啟動(dòng)指令（DisableStartAux=1）。啟動(dòng)主設(shè)備后，母線上存在電壓，車輛AC 380 V 的相位和頻率由首先并網(wǎng)啟動(dòng)的主輔助逆變器決定。

3）從設(shè)備并網(wǎng)啟動(dòng)。按照時(shí)間順序，TCMS 按車輛順序間隔7 s 判斷其他車ACE 是否具備啟動(dòng)條件。如條件滿足，則按時(shí)間逐一發(fā)送從設(shè)備啟動(dòng)指令（DisableStartAux=0）至ACE3—ACE6，ACE3—ACE6 接收到TCMS 發(fā)送的指令后，檢測(cè)母線情況后，即閉合各自母線接觸器，單臺(tái)ACE 啟動(dòng)時(shí)間大約3 s。整列車4 臺(tái)ACE 的啟動(dòng)在25 s 內(nèi)完成，滿足整列車并網(wǎng)時(shí)間要求。從設(shè)備啟動(dòng)流程如圖4 所示。

圖3 選擇輔助逆變器主、從設(shè)備流程圖

3.4 緊急啟動(dòng)控制

在列車存在DC 1 500 V 的條件下，當(dāng)檢測(cè)到ACE 控制電壓低于91 V 時(shí)，DC 1 500 V/DC 110 V緊急變換器自動(dòng)將接觸網(wǎng)上DC 1 500 V 電壓變換為DC 110 V，為輔助逆變器內(nèi)部的控制電路供電。當(dāng)檢測(cè)到ACE 發(fā)送的逆變器低壓?jiǎn)?dòng)指令（Low－BatVoltStart=1）激活時(shí)，TCMS 發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)至此ACE；ACE 收到此信號(hào)后啟動(dòng)。低壓工況下，4 臺(tái)ACE 單獨(dú)控制啟動(dòng)。第1 臺(tái)輔助逆變器成功啟動(dòng)后，其他3 臺(tái)輔助逆變器啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)與主輔助逆變器同步電壓及頻率，完成整車輔助逆變器啟動(dòng)。

輔助逆變器并網(wǎng)啟動(dòng)成功后，TCMS 控制各負(fù)載設(shè)備啟動(dòng)。TCMS 正常的情況下，當(dāng)任意1 臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，所有中壓負(fù)載正常工作，因此對(duì)乘客及列車運(yùn)行無影響；任意2 臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，全車空調(diào)工作在半冷狀態(tài)，其它中壓負(fù)載正常工作，因此對(duì)乘客及列車運(yùn)行無較大影響；任意3 臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，所有客室空調(diào)只保留通風(fēng)，對(duì)司機(jī)室空調(diào)無影響。

圖4 輔助逆變器從設(shè)備啟動(dòng)流程

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的地鐵車輛輔助逆變器并網(wǎng)控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了部分控制策略優(yōu)化，論述了地鐵車輛上輔助逆變器并網(wǎng)供電控制邏輯和相關(guān)控制時(shí)序，詳細(xì)說明了正常及緊急工況下并網(wǎng)啟動(dòng)控制策略。此控制策略經(jīng)過聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證表明，設(shè)備穩(wěn)定、運(yùn)行良好。