冉德強(qiáng)，聶晶晶，李年鎖

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

常規(guī)電力機(jī)車(chē)在無(wú)網(wǎng)區(qū)需要內(nèi)燃機(jī)車(chē)的牽引，在實(shí)際應(yīng)用中具有局限性。雙源制機(jī)車(chē)的出現(xiàn)改善了這一現(xiàn)狀，其采用“接觸網(wǎng)+蓄電池”雙源制式[1]。在無(wú)網(wǎng)區(qū)，采用蓄電池供電，克服了內(nèi)燃機(jī)車(chē)的缺點(diǎn)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)零排放、低噪聲、無(wú)污染，使機(jī)車(chē)更加綠色節(jié)能[2]。

但影響蓄電池使用的因素，除了安全之外，還有蓄電池的續(xù)航問(wèn)題。目前蓄電池的使用在續(xù)航能力和蓄電池體積上不能做到雙重最優(yōu)化。高續(xù)航必然導(dǎo)致機(jī)車(chē)的蓄電池箱的體積和質(zhì)量增大，而體積小的蓄電池又無(wú)法保證機(jī)車(chē)擁有足夠的續(xù)航里程。所以，提高蓄電池的利用效率，優(yōu)化控制方式顯得尤為重要。

以靖神雙源制調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)為例。蓄電池模式的主要應(yīng)用場(chǎng)景為從站場(chǎng)拖空車(chē)去無(wú)網(wǎng)區(qū)裝煤，裝滿煤后，將重車(chē)拖回站場(chǎng)。但在實(shí)際應(yīng)用中的工況往往更為復(fù)雜，往往需要根據(jù)煤量的多少以及裝煤速度來(lái)決定本次作業(yè)時(shí)間的長(zhǎng)短，甚至需要長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)等待。蓄電池可能會(huì)因?yàn)榈却龝r(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致饋電。根據(jù)雙源制機(jī)車(chē)主輔電路的設(shè)計(jì)方式、設(shè)計(jì)原理來(lái)優(yōu)化機(jī)車(chē)靜止工況下的控制邏輯，以達(dá)到最優(yōu)化利用蓄電池的目的。

1 雙源制機(jī)車(chē)蓄電池系統(tǒng)原理及分析

1.1 蓄電池主輔電路設(shè)計(jì)

雙源制機(jī)車(chē)安裝2個(gè)獨(dú)立的集成輔助逆變器，分別為輔逆1和輔逆2，如圖1所示[3]。機(jī)車(chē)有4箱蓄電池，分為2組。2組蓄電池都要經(jīng)過(guò)高速斷路器(HSCB)后，為主變流器供電。BMS1、BMS2箱為第一組，通過(guò)主變流器1，最終為1架電機(jī)和輔逆1供電；BMS3、BMS4箱為第二組，通過(guò)主變流器2，最終為2架電機(jī)為輔逆2供電。機(jī)車(chē)輔助負(fù)載分為變頻變壓(VVVF)負(fù)載和定頻定壓(CVCF)負(fù)載。VVVF負(fù)載和CVCF負(fù)載分別位于VVVF支路和CVCF支路。輔逆1輸出接觸器、輔逆2輸出接觸器、冗余轉(zhuǎn)換接觸器控制輔助回路的通斷。

圖1 雙源制機(jī)車(chē)蓄電池主輔電路示意圖

1.2 蓄電池系統(tǒng)運(yùn)行分析

當(dāng)機(jī)車(chē)處于蓄電池模式下時(shí)，機(jī)車(chē)輔逆模式分為正常模式、冗余1模式、冗余2模式[4]。在正常模式下，輔逆1以VVVF方式運(yùn)行，并為VVVF負(fù)載提供電源，例如牽引風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)等。VVVF支路由輔逆1輸出接觸器控制通斷；輔逆2以CVCF方式運(yùn)行，并為CVCF負(fù)載提供電源，例如壓縮機(jī)、空調(diào)等。CVCF支路由輔逆2輸出接觸器控制通斷。

在單個(gè)輔逆故障的情況下，通過(guò)冗余轉(zhuǎn)換接觸器可以實(shí)現(xiàn)輔逆1或輔逆2的擴(kuò)展供電。在冗余1模式下，輔逆1能以CVCF方式運(yùn)行，并為VVVF和CVCF負(fù)載提供電源；在冗余2模式下，輔逆2能以CVCF方式運(yùn)行，并為VVVF和CVCF負(fù)載提供電源。在冗余1和冗余2模式下，機(jī)車(chē)輔助設(shè)備只能以CVCF的模式運(yùn)行。

蓄電池模式下，機(jī)車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)車(chē)輔助系統(tǒng)處于正常模式。4箱蓄電池可以正常牽引，耗電量基本相當(dāng)，但當(dāng)機(jī)車(chē)因故停車(chē)需要長(zhǎng)時(shí)間等待時(shí)，由于此時(shí)沒(méi)有牽引，機(jī)車(chē)通過(guò)主變壓器油溫、主逆變器水溫、牽引電機(jī)溫度，綜合計(jì)算出來(lái)的頻率如果低于20 Hz，為了降低噪聲，所有的牽引風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)應(yīng)停止運(yùn)行，即輔逆1及VVVF負(fù)載停止工作。綜合計(jì)算出來(lái)的頻率如果高于30 Hz，輔逆1、牽引風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)應(yīng)啟動(dòng)來(lái)降溫。

靜止時(shí)，由于輔逆1不工作，故第一組蓄電池耗電量較少。第二組蓄電池通過(guò)輔逆2一直為CVCF支路的CVCF負(fù)載供電，故第二組蓄電池耗電量較大，造成2組蓄電池耗電量差別較大。特別是在蓄電池模式下，機(jī)車(chē)長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，會(huì)使兩組蓄電池電量相差巨大。如果此時(shí)機(jī)車(chē)開(kāi)始動(dòng)態(tài)運(yùn)行，第二組的蓄電池會(huì)提前耗盡，造成機(jī)車(chē)第2架處于隔離狀態(tài)。上述現(xiàn)象會(huì)影響機(jī)車(chē)的整體性能以及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致機(jī)破。長(zhǎng)期如此，會(huì)造成2組蓄電池使用時(shí)間不均衡、壽命不對(duì)等，嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。

2 輔助系統(tǒng)控制優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

鑒于以上的現(xiàn)狀分析，為了解決機(jī)車(chē)靜止?fàn)顟B(tài)下2組蓄電池用電不均這一問(wèn)題，擬采取以下措施：機(jī)車(chē)在蓄電池模式下靜止運(yùn)行時(shí)，當(dāng)2組蓄電池電量少于1組蓄電池電量達(dá)到一定值(取20%)后，在輔逆后端通過(guò)程序控制讓輔助系統(tǒng)進(jìn)入冗余1模式。當(dāng)輔助系統(tǒng)進(jìn)入冗余1模式后，輔逆2停止工作，輔逆1擴(kuò)展供電。所有輔助設(shè)備，包括CVCF設(shè)備和VVVF設(shè)備均以CVCF的模式運(yùn)行，均由輔逆1供電。當(dāng)1組蓄電池等于或小于2組蓄電池電量時(shí)，機(jī)車(chē)輔助系統(tǒng)重新切換到正常模式。通過(guò)以上措施達(dá)到均衡2組蓄電池電量的目的。

當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)入冗余1模式后，輔逆1以60 Hz運(yùn)行，所有設(shè)備均以定頻定壓工作，導(dǎo)致機(jī)車(chē)噪聲較大。噪聲的主要來(lái)源為牽引風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)。經(jīng)過(guò)分析，在靜止?fàn)顟B(tài)下，牽引電機(jī)不工作，牽引電機(jī)風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)卻在運(yùn)行，造成蓄電池的電量浪費(fèi)。

為了解決噪聲和電量浪費(fèi)的問(wèn)題，借鑒機(jī)車(chē)正常模式且靜止?fàn)顟B(tài)下，通過(guò)綜合計(jì)算的頻率來(lái)決定牽引風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)啟停的方法：即機(jī)車(chē)在蓄電池模式且靜止運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)入冗余1模式后，通過(guò)主變壓器油溫、主逆變器水溫、牽引電機(jī)溫度，綜合計(jì)算出來(lái)的頻率如果低于20 Hz，控制牽引風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)停機(jī)；而當(dāng)綜合計(jì)算出來(lái)的頻率高于30 Hz，控制牽引風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)啟機(jī)。

2.2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

由TCMS通過(guò)軟件優(yōu)化來(lái)解決2組蓄電池耗電量不均衡、冗余模式噪聲大且耗電量高的問(wèn)題，編程語(yǔ)言為MULTIPROG圖形化語(yǔ)言，過(guò)程如下。

1)首先1、2箱蓄電池電量取最小值，3、4箱蓄電池取最小值。2個(gè)最小值取差值的20%進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

圖2 控制優(yōu)化實(shí)現(xiàn)1

2)機(jī)車(chē)靜止時(shí)，當(dāng)3、4箱蓄電池電量的最小值低于1、2箱蓄電池最小值的20%時(shí)，機(jī)車(chē)進(jìn)入冗余1模式，輔逆1以CVCF方式運(yùn)行并為VVVF和CVCF負(fù)載提供電源。當(dāng)3、4箱蓄電池電量的最小值與1、2箱蓄電池電量最小值相等時(shí)，退出冗余1模式，進(jìn)入正常模式，如圖3所示。

圖3 控制優(yōu)化實(shí)現(xiàn)2

3)機(jī)車(chē)靜止時(shí)，進(jìn)入冗余1模式后，當(dāng)由變壓器油溫、變流器水溫、電機(jī)溫度綜合計(jì)算出來(lái)的輔逆頻率小于20 Hz時(shí)，斷開(kāi)牽引風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)的接觸器，使其停止工作，降低噪聲的同時(shí)，又節(jié)省了大量的電能；當(dāng)綜合計(jì)算的輔逆頻率大于30 Hz時(shí)，重新閉合牽引風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)接觸器，使其啟動(dòng)為相關(guān)設(shè)備降溫，如圖4所示。

圖4 控制優(yōu)化實(shí)現(xiàn)3

2.3 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過(guò)在靖神雙源制調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)上的實(shí)際運(yùn)用，效果良好。靜止?fàn)顟B(tài)下，當(dāng)3、4箱蓄電池電量的最小值低于1、2箱蓄電池最小值的20%時(shí)，機(jī)車(chē)進(jìn)入冗余1模式，輔逆1運(yùn)行頻率為60 Hz。當(dāng)綜合計(jì)算的輔逆頻率大于30 Hz時(shí)，牽引風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)的接觸器閉合，噪聲較大，此時(shí)1、2箱蓄電池輸出電流大約為36 A；當(dāng)綜合計(jì)算的輔逆頻率小于20 Hz時(shí)，牽引風(fēng)機(jī)和冷卻塔風(fēng)機(jī)的接觸器斷開(kāi)，噪聲大小和正常模式下一致，此時(shí)1、2箱蓄電池輸出電流為10 A。

由以上數(shù)據(jù)對(duì)比得知：上述2項(xiàng)措施，不但解決了2組蓄電池用電不均衡的問(wèn)題，也解決了冗余1模式下，輔助設(shè)備運(yùn)行噪聲大的問(wèn)題；也大大節(jié)約了電能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)雙源制機(jī)車(chē)蓄電池模式下輔助系統(tǒng)的控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了雙源制機(jī)車(chē)蓄電池模式下靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，4箱蓄電池的均勻放電。同時(shí)，降低了輔助設(shè)備運(yùn)行的噪聲，節(jié)約了大量的電能；避免2組蓄電池使用時(shí)間不均衡而嚴(yán)重影響蓄電池的壽命；避免在4箱蓄電池電量不均衡時(shí)，轉(zhuǎn)至動(dòng)態(tài)運(yùn)行，造成機(jī)車(chē)單架隔離，從而影響機(jī)車(chē)的整體性能以及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

本優(yōu)化方案可推廣適用于其他具有同靖神雙源制機(jī)車(chē)主輔電路相似的車(chē)型，可用來(lái)解決機(jī)車(chē)靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，蓄電池放電不均衡、噪聲大、能耗高的問(wèn)題。該方案適用程度較廣，降噪省電效果明顯。