地鐵列車輔助電源系統的新方案設計

奚華峰 王愛武

(南車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，高級工程師)

地鐵列車輔助電源系統提供列車冷卻系統、空調、空氣壓縮機、照明等設備的正常供電。隨著地鐵列車對舒適性要求的提高，這些設備的使用越來越多，從而使得輔助逆變電源的容量也越來越大。本文將對輔助逆變電源的容量進行簡單的分析，并提出一種新的輔助電源系統方案。

1 通用輔助電源系統介紹

1.1 Alstom地鐵列車輔助電源系統

Alstom設計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個頭車上分別設置1個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 的技術參數

1)額定輸入電壓為DC 1 500 V。

2)輸入電源特性符合IEC 60850。

3)額定負載效率＞90%。

4)交流電輸出特性:

·相數為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)。

7)工作溫度為－20～+40℃。

1.1.2 列車配電框圖

交、直流負載的配電分別如圖1、2所示。

圖1 Alstom輔助電源系統交流負載配電框圖

圖2 Alstom輔助電源系統直流負載配電框圖

1.2 Siemens地鐵列車輔助電源系統

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

1.2.1 SIV 的技術參數

1)額定輸入電壓為DC 1 500 V。

2)輸入電源特性符合IEC 60850。

3)額定負載效率＞90%。

4)3相交流電輸出特性:

·相數為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)。

1.2.2 列車配電框圖

交、直流負載的配電分別如圖3、4所示。

圖3 Siemens輔助電源系統交流負載配電框圖

圖4 Siemens輔助電源系統直流負載配電框圖

1.3 優劣分析

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

1.3.1 優點

1)輔助逆變器設備簡單，有利于供電系統控制方案的解決。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，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單。

2)配電電路結構簡單。對于輔助變電器來講，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單。

1.3.2 缺點

1)輔助逆變器功率大，損耗也大。輔助逆變器的功率是根據極端情況下的最大負載來設置的，實際正常使用的輔助逆變器工作容量僅在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、隔離變壓器等設備均如此)。所以，輔助逆變器實際使用的功率損耗是很大的，非常不經濟。

2)無法實現用電設備所需的變頻啟動和控制要求。空調壓縮機、空氣壓縮機等設備的啟動電流非常大，很適合用變頻啟動的方式來控制。但是，這種輔助逆變器同時還得給其它負載供電，故無法實現變頻啟動，同時這些空調壓縮機、空氣壓縮機等設備負載的啟動電流會對輔助逆變器造成損傷。

2 新的輔助電源系統方案

地鐵列車AV 380 V用電負載的情況分析見表1所示。

表1 地鐵列車AC 380 V負載統計表

地鐵列車中的AC 380 V負載大量是電機類的感性負載，若采用恒壓電壓，負載投入時對輔助逆變器的沖擊很大。特別是在大負載時空氣壓縮機的啟動，對輔助逆變器會產生很大的沖擊。所以，可以根據負載的容量大小將負載分為兩類:一類是空調壓縮機和空氣壓縮機，可以采用獨立的輔助逆變模塊單獨供電，并可實現變頻啟動;另一類是冷卻風機等，采用恒壓供電，并將整列車的AC 380 V并網供電，以提高冗余性。下面對新擬的輔助電源系統方案進行描述。

2.1 供電網絡方案

如圖5所示，為一個單元(3節車輛)的情況，單元之間對稱分布。每節車配置一臺SIV。SIV由標準模塊組成，主要有:

1)帶電壓隔離的前端DC/DC模塊;

2)直流110 V負載供電的負載DC/DC模塊;

圖5 新的輔助電源系統拓撲結構

3)標準的負載DC/AC模塊。

根據不同的負載情況配置每節車的SIV:頭車SIV由前端DC/DC模塊、供DC 110 V負載的負載DC/DC模塊、供空調壓縮機的負載DC/AC模塊、供空氣壓縮機的負載DC/AC模塊和供其他穩壓負載的負載DC/AC模塊等組成，供空調壓縮機的負載DC/AC模塊還可以給空氣壓縮機做冗余;中間車SIV比較簡單，由前端DC/DC模塊、供空調壓縮機的負載DC/AC模塊和供其他穩壓負載的負載DC/AC模塊等組成。供其他穩壓負載的負載DC/AC模塊輸出采用全列車并聯的方式，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計。整個電路由高壓檢測、輸入濾波、預充電回路、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 負載DC/DC模塊方案

負載DC/DC模塊的輸出主要給DC 110 V負載和蓄電池充電。由于前端模塊已考慮隔離，所以該模塊電路采用結構簡單的BUCK電路就能實現功能(見圖7)。

圖7 負載DC/DC模塊原理圖

2.4 負載DC/AC模塊方案

該模塊采用簡單的逆變電路(如圖8所示)。在給空調壓縮機或空氣壓縮機供電時采用變頻變壓控制，實現軟啟動和空調的變頻調節;在作為穩壓電源輸出時，對電壓波形的要求較高，所以在其輸出端增加濾波環節(如圖9所示)。

圖8 負載DC/AC模塊原理圖

2.5 優缺點

該新擬的輔助電源系統有以下優點:

圖9 負載DC/AC模塊(帶濾波)原理圖

1)可以根據項目的需要搭建不同的SIV配置，能更好地優化SIV的功能;

2)針對空氣壓縮機可以實現軟啟動，降低電網諧波和沖擊;

3)針對空調壓縮機可以實現軟啟動和變頻控制，并不受空氣壓縮機啟動的影響;

4)空調壓縮機可以實現連續工作，也不需要為了降低噪聲而在車站停止工作;

5)空調壓縮機電源和空氣壓縮機電源可實現互為冗余，提高了系統的可靠性;

6)SIV統一由前端DC/DC模塊進行處理，可以減少電網諧波、提高電網品質;

7)該系統采用模塊化和標準化設計，提高了系統的可維護性，并降低了系統的全壽命周期費用。

但該新擬的輔助電源系統有以下缺點:

1)該系統采用二級變流技術，整體控制比較復雜;

2)由于獨立模塊對應負載，使得系統的動力電纜的數量較多。

3 結語

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

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［2］ 王鑫，趙清良.北京地鐵國產列車輔助電源系統及其改進［J］.機車車輛工藝，2007(2):26.

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