城市軌道交通車輛輔助逆變電源的發展趨勢

馬穎濤

城市軌道交通車輛輔助逆變電源的發展趨勢

馬穎濤1，2

（1.中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，100044，北京；2.北京縱橫機電技術開發公司，100094，北京//助理研究員）

以輕量化為主線，從供電模式、變流器拓撲結構、新器件應用三個方面，綜述了城市軌道交通車輛輔助逆變電源的發展趨勢。隨著技術的進步，輔助逆變電源朝著輕量化的方向不斷改進：采用并聯供電方式替代擴展供電和交叉供電，降低整車電源總容量；采用中頻化技術，取消工頻隔離變壓器，降低體積質量；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、冷卻系統的體積質量。以并聯供電、中頻化技術、新器件應用為代表的輕量化技術是城市軌道交通車輛輔助逆變電源的發展趨勢。

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”）建設快速發展，城軌車輛需求旺盛。據不完全統計，僅2016年全國就有59個城軌車輛招標，車輛需求達9 794輛。據此推算，僅其中牽引系統（包括輔助逆變電源（APS））的投入即超百億元。

APS是牽引系統的重要組成部分，為全列車的中壓交流負載供電。文獻［1-5］針對供電制式和逆變電源的電路選型展開了對比，但技術發展的脈絡仍有待梳理。

輕量化是公認的綜合水平的最佳體現。功率密度是輕量化的量化指標，功率密度越高，說明輕量化水平越高。APS經歷數10年的發展演化，雖然具體技術種類多樣［6］，但輕量化貫穿始終。本文以輕量化為主線，從供電方式、變流器拓撲結構、新器件應用等方面對這三類近年來的熱點技術進行討論分析，梳理發展趨勢，為業主和主機廠提供設計參考。

1 輔助逆變電源規格與輕量化

1.1規格

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，為列車上的中壓負載供電。

APS的負載既包括關乎列車制動、牽引設備正常工作的空氣壓縮機、冷卻風機，也包括影響乘客舒適度的空調、照明等設備。因此，列車對輔助供電系統的可靠性要求較高。

列車對APS最基本的需求是：容忍輸入直流電壓的波動和負載的變化，實現交流輸出電壓的穩定。APS的基本規格參數皆圍繞此需求展開。

以某直流1 500 V供電APS為例，其基本的規格參數如表1所示。其中，輸入參數描述APS對輸入直流電壓的容忍能力；輸出參數描述APS交流輸出電壓的性能指標；總體信息描述APS整機規格和功能；其它信息包括APS容許負載的信息。

1.2輕量化水平

輕量化最能體現APS的綜合技術水平。在滿足用戶需求的前提下，通常越是性能優異、技術先進，其體積越小、質量越輕。輕量化、小型化是技術進步的永恒主題。

表1 某型號APS基本技術參數

功率密度越高，則輕量化程度越高。現選取國內外著名品牌的代表產品（見表2），介紹當前APS的輕量化水平。

表2 APS代表產品

圖1所示為各代表產品的功率密度對比。目前，我國大部分APS都采用工頻化技術，西門子的MTP_MF中頻化平臺APS的功率密度顯著領先同類產品，是國內市場的代表產品。日系APS產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，能實現持久的節能效益。以功率密度為0.092kVA/kg的日系產品為例，如果其功率密度能提高到0.15kVA/kg，則單個變流器減重540kg。若列車上APS單元個數較多，APS輕量化帶來的節能效果將更明顯。

圖1 APS功率密度對比

2 供電方式

考慮到可靠性和冗余設計，列車通常需要多臺APS。多臺APS應考慮如何配合為中壓系統供電，并滿足供電可靠性的需求。

不同供電方式下，電路結構和軟件控制的復雜程度、物料成本有顯著區別。在保證滿足整車需求的前提下，討論不同供電制式對于APS容量的需求和對輕量化的影響。

2.1集中式供電

集中式供電有擴展供電和交叉供電兩種方式。通常集中式供電采用2臺APS。若APS的數量增多，則整個中壓供電系統會過于復雜，影響經濟性。

（1）擴展供電。中壓母線從列車中間分為兩段，之間設置擴展供電接觸器，全列車2臺APS分別為其所在半列中壓母線供電。當1臺APS發生故障時，閉合擴展供電接觸器，由另1臺APS為全列中壓母線供電，部分負載需減載運行。

（2）交叉供電。列車中壓母線分為兩組，將負載平均分為兩部分，2臺APS分別為這兩組母線供電。當1臺APS發生故障時，對應供電區域的負載將無法工作。

2.2并聯供電

列車中壓母線貫穿全列，多臺APS單元并聯工作，自動均分整列負載［7］。并聯供電的列車母線復雜性較低，可靈活配置APS單元數量，4個或6個較常見。

當某個APS發生故障時，停機退出并聯，其余APS繼續向母線供電。因此，并聯供電能實現列車中壓的不間斷供電。列車通過負載管理，根據全部可用電源容量，按照優先級管理負載的投切。

2.3容量需求與輕量化

通過分析不同供電方式下整車對APS容量的需求，可發現并聯供電方式有助于降低整車APS容量。以某地鐵項目為例，APS必須同時滿足以下需求：①滿足實際負載以外，容量有15%的裕度；②1臺APS故障對列車幾乎沒有影響。

整車中壓交流負載總容量為327kVA，空調半載時整車負載容量為218kVA。集中供電方式按2臺APS考慮，由于交叉供電無法滿足上述需求②，一旦有APS發生故障，必然有一部分負載無法切換到另外一組母線，因此集中供電方式只討論擴展供電。并聯供電方式按4臺APS考慮。

計算得兩種供電方式下APS的總容量需求，如表3所示。為滿足上述需求②，若采用并聯供電方式，APS總容量的需求僅為436 kVA；若采用擴展供電方式，必須顯著增大變流器的單體容量到327 kVA，此時整車APS總容量高達654 kVA，比并聯供電方式時的整車APS總容量增大一半。

表3 兩種供電方式下APS容量需求kVA

顯然，采用并聯供電方式時APS總容量需求較低。這將非常有助于降低全列車APS的總質量。而且并聯供電方式的整車中壓母線設計和配電更加簡單，也有助于整車輕量化。

因此，并聯供電技術降低了整車對APS總容量的需求,促進了整車的輕量化水平提升。該技術已在高鐵和地鐵車輛上成熟應用，成為主流趨勢。從擴展供電、交叉供電向并聯供電過渡，本質上是用控制技術的創新替代硬件設備的復雜性，從而節約資源。

3 工頻技術與中頻技術

APS通常采用變壓器實現輸入直流與輸出交流之間的電氣隔離。根據拓撲結構和隔離變壓器工作頻率不同，APS的技術路線可分為工頻技術與中頻技術兩種。傳統的工頻技術拓撲結構簡單，但體積、質量較可觀。中頻技術采用新的拓撲結構，可顯著提高輕量化水平，是近10年來的熱點技術。

3.1工頻技術

工頻技術的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現電氣隔離和降壓，濾波后得到正弦三相交流電。

圖2 工頻技術示意圖

工頻變壓器通是APS的最大單體部件，通常能占整機質量的30%～40%。例如，時速380 km動車組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。且功率等級越高，工頻變壓器的體積質量越大，給APS的機械強度設計、重心控制等造成困難。

3.2中頻技術

提高工作頻率以實現輕量化，是電力電子領域的常用思路。綜合考慮城軌車輛APS的功率等級、電壓等級、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變流器得到穩定的低壓直流電，再進行三相逆變、濾波，得到正弦三相交流電。

圖3 中頻技術示意圖

中頻DC/DC變流器中的中頻變壓器取代工頻變壓器，實現變壓和電氣隔離。中頻DC/DC變流器可采用諧振軟開關技術，以進一步降低損耗，減少冷卻單元的體積。中頻DC/DC變流器的輸出為穩定的600 V低壓，因此逆變器可顯著提高開關頻率。在濾波效果相同的前提下，開關頻率的提高可顯著減小對正弦濾波器的需求。

3.3中頻技術的輕量化效果

（1）變壓器的輕量化。變壓器的體積質量和工作頻率負相關，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比

（2）機組的輕量化。中頻技術使得變壓器體積顯著下降。即使考慮到系統復雜性增加，整個APS仍能實現30%～50%的減重效果。仍以上述兩款批量產品為例，中頻技術的APS功率密度提高了近1倍，如表5所示。

因此，中頻技術可顯著提高APS的輕量化水平。隨著應用案例越來越多，中頻技術作為一種有效的輕量化變流器拓撲結構，已成為一種發展趨勢。

表5 中頻技術與工頻技術的APS功率密度對比

4 碳化硅器件的應用

以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導體器件具有損耗低（開關損耗降低80%）、耐高溫（耐溫由150℃提高到250℃）、宜高頻（更適用于100 kHz以上開關頻率）的顯著優勢，將對電力電子變流器產生重大影響。APS也必然受益于此技術進步。

1990年，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）開始替代GTO（門極可關斷晶閘管）和晶閘管（Thyristor）；10年后，IGBT的市場份額爆炸性增長，取代了GTO；SiC經歷10余年發展，已從中小功率等級開始切分傳統器件的市場份額。德國西門子公司統計并預測了功率半導體器件的市場份額，如圖4所示。

圖4 功率半導體器件市場份額

當前，量產的SiC功率模塊已達1 700 V/300 A，其功率已達到城軌車輛APS的功率等級。SiC的應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、電容器等被動元件的體積質量。據德國西門子公司2016年的研究報告，采用SiC器件的牽引系統將實現體積質量減少30%，整機效率提高至少3%。日本三菱的SiC城軌變流器體積質量比其既有產品減少65%，變流器損耗下降30%。可以預見，SiC器件的應用將顯著提高城軌車輛APS輕量化水平。

5 結語

本文綜述了城軌車輛APS的輕量化發展趨勢，并從供電模式、變流器拓撲結構、新器件應用等方面進行分析展望：

（1）并聯供電技術降低整車對APS總容量的需求，從源頭上促進了輕量化。

（2）采用中頻化的變流器拓撲結構，取消工頻變壓器，從拓撲結構上提高輕量化水平。

（3）SiC功率半導體器件的應用，降低了冷卻裝置和被動元件的體積質量。

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

［1］趙清良，劉清，曾明高．城軌地鐵車輛輔助電源系統研究與發展［J］．機車電傳動，2012（1）：52．

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

［3］康亞慶．地鐵車輛輔助系統兩種供電網絡的分析［J］．現代城市軌道交通，2009（4）：27．

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

［5］陳恒謙．城軌車輛輔助逆變器設計選型與發展趨勢［J］．電力機車與城軌車輛，2012（4）：55．

［6］劉偉志，馬穎濤．城市軌道交通牽引系統技術發展前景［J］．鐵路技術創新，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）