混合動力動車組牽引及輔助變流器系統分析*

吳新紅

(中國鐵路總公司安全監督管理局，100844//高級工程師)

0 引言

目前，我國高速鐵路已取得了巨大的進步，但仍存在一些問題。截至2012年底，我國電氣化鐵路占全國鐵路線路的53%；根據《鐵路“十三五”發展規劃》，預計到2020年，電氣化鐵路將占全國鐵路線路的70%，非電氣化鐵路仍將長期占有很大比例。純接觸網供電的動車組嚴重依賴接觸網，在非接觸網的線路上不能行駛。另外，由于傳統動車組供電形式的單一性，當接觸網發生故障或由于接觸器、變壓器等元件故障時，會導致列車因無法受流而癱瘓，影響動車組運營的可靠性。隨著我國高速鐵路的快速發展，對未來的軌道交通技術也提出了越來越高的要求，為了滿足安全、高效以及節能環保等的需求，車輛裝備制造企業不斷加快對新型軌道交通車輛的研制[2-3]。混合動力動車組是為了彌補目前鐵路運輸能力不足，滿足市域中短距離運輸需要而提出來的一種新型動車組[4]，對我國譜系化動車組技術具有重要的意義。經過“十二五”國家科技支撐計劃重點項目“混合動力動車組關鍵技術研究及典型樣車研制”，中車長春客車股份有限公司、北京交通大學等單位合作，已成功研發出我國首列具有完全自主知識產權的混合動力動車組[5]，按動力源的不同分為兩種型號，分別為電電混合動力動車組(EEMU)和油電混合動力動車組(DEMU)[6]，目前均已完成了整車的型式試驗，正在進行30萬km運營考核。

本文主要介紹我國首列混合動力動車組的牽引及輔助變流器系統，分別從系統結構、系統控制功能，以及網絡控制和故障診斷等方面進行論述。

1 系統概述

傳統的動車組一般僅由接觸網供電，在無接觸網線路或接觸網線路發生故障時，會導致列車不能運行。與傳統動車組的供電方式不同，混合動力動車組采用了多動力源接入的方式，大大提高了列車的可靠性與適應性，在無接觸網線路或接觸網線路發生故障時,列車均能正常運行。

混合動力動車組EEMU和DEMU均是兩動一拖的3節編組結構，整車有2臺牽引變流器(TCU)和2臺輔助變流器(ACU)。其中,輔助變流器為雙輔結構，2臺輔助變流器分別通過牽引變流器的直流母線獲取直流電壓。EEMU的每個牽引變流器上掛載了2個動力電池組，其電池組容量為240 Ah，輸出額定電壓為1 056 V；而DEMU則掛載了1個動力電池組和1個柴油動力包，其中,動力電池組容量為60 Ah，輸出額定電壓為1 056 V;柴油動力包額定功率為330 kW。以DEMU為例，其變流器系統結構示意圖如圖1所示，EEMU除了不掛載柴油動力包并且多了1組DC/DC變換器以及1組動力電池外，其他的與DEMU基本類似。

圖1 DEMU變流器系統結構示意圖

DEMU共有3個動力源，分別為接觸網、動力電池和柴油動力包；對應的運行模式有4種，分別為接觸網運行模式、純電池運行模式、純動力包運行模式和電池-動力包混合模式。而EEMU有2個動力源，分別為接觸網和動力電池；運行模式則有2種，除了沒有純動力包模式和電池-動力包混合模式外，與DEMU基本類似。

混合動力動車組的牽引及輔助變流器，采用了模塊化設計方法，實現了生產、安裝、維修維護的最優化；同時，充分考慮系統的電磁兼容、布局布線等方面因素，實現了總體的模塊化和優化設計。模塊化設計使系統完全適用于混合動力動車組使用，目前已通過了變流器型式試驗考核，并已成功裝車應用。

2 牽引變流器系統

2.1 系統描述

牽引變流器主要可以分為四象限整流器、牽引逆變器以及雙向DC/DC變換器。

DEMU的四象限整流器(見圖2)由2個單相四象限整流器并聯而成，在接觸網模式下，DEMU和EEMU工作一樣，由接觸網輸入AC 25 kV，經過車載變壓器變換為AC 900 V后接入，其額定功率可達920 kW；在非接觸網模式下，EEMU只有純電池工作模式，此時四象限整流器不工作；DEMU在單動力包模式或電池-動力包模式時，柴油動力包的三相交流電通過四象限整流器3個H橋上IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的反并聯二極管進行不控整流給直流母線供電。

圖2 接觸網和柴油動力包接入電路原理圖

每臺牽引變流器均有1個牽引逆變器，電機驅動形式為1拖4的形式，即1臺牽引逆變器帶4臺電機，其中每臺牽引電機的額定功率為160 kW。雙向DC/DC變換器直接掛載在直流母線上，是動力電池與直流母線的接口裝置。其中EEMU上掛載了2組動力電池組，對應也有2個雙向DC/DC變換器，2個變換器并聯運行；而DEMU則只掛載了1組動力電池，并且對應有1個雙向DC/DC變換器。四象限整流器和雙向DC/DC變流器均能提供直流母線電壓供牽引逆變使用。

2.2 系統控制功能

2.2.1 整流器系統

在接觸網模式下時，四象限整流器工作，并穩定直流母線電壓，當列車處于牽引工況、動力電池處于充電狀態時，四象限整流器為牽引電機和動力電池組供電；當列車處于制動工況時，牽引電機將制動能量回饋到直流側，而四象限整流器則將能量回饋到電網。

具體來看，四象限整流器具有以下功能：

(1) 穩定中間直流電壓功能：為后級牽引逆變器和DC/DC變換器供電，或為能量回饋通路。

(2) 過分相功能：通過CAN(控制器局域網絡)通信，配合其他子系統，完成列車的牽引過分相功能。

(3) 不控整流功能：當柴油動力包工作時，通過四象限整流器的3個H橋IGBT上的反并聯二極管進行不控整流，給直流母線供電。

(4) 保護功能：軟硬件的直流過壓保護、直流欠壓保護、交流過壓及欠壓保護、軟硬件交流過流保護、過溫保護、變壓器故障保護、預充電不良保護、IGBT故障保護、接地故障檢測保護等。

2.2.2 牽引逆變器

牽引逆變器采用變壓變頻的VVVF(變壓變頻)控制方法，控制牽引電機發出給定的轉矩，實現列車的牽引、惰性、制動、恒速、防滑防空轉等功能。牽引逆變器接收來自司機室給定的轉矩指令，根據車控邏輯，結合當前列車的速度、牽引系統的狀態，計算出要發出的轉矩，并控制牽引電機發出相應的轉矩，實現列車的牽引傳動。

具體來看，牽引逆變器具有電機變頻調速、車控邏輯執行、數據處理、計算處理、保護等功能。

2.2.3 雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器根據列車運行工況的不同，既可以作為供電源又可以作為負載運行。接觸網模式下，電池作為接觸網的負載，在滿足相應條件下經雙向DC/DC變換器對動力電池組進行充電；非接觸網模式下，電池和動力包作為供電電源穩定直流母線電壓，為逆變器和輔助變流器供電，在列車再生制動時吸收制動能量；在過分相區時，雙向DC/DC變換器和四象限整流器相互配合，為輔助變流器供電。

下面以DEMU為例，說明雙向DC/DC變換器具有的系統控制功能，EEMU除了沒有動力包模式外基本與DEMU類似：

1) 系統能量管理與控制功能

(1) 在接觸網模式下，雙向DC/DC變換器根據電池的狀態，結合列車運行的工況，控制動力電池組合理充電。

(2) 在純電池模式模式下，雙向DC/DC變換器通過設定合理的門限，基于規則的邏輯門限管理策略，對動力電池組的充放電進行控制，保證系統穩定、高效運行。

(3) 在純動力包模式下，雙向DC/DC變換器被切除，不工作。

(4) 在電池-動力包混合供電模式下，根據動車組運行的負載特性、柴油動力包的油耗特性及下垂特性，基于規則的邏輯門限能量管理策略，實現對動力電池組的充放電控制，并且通過通信，實現對柴油發電機組的轉速控制，實現對多異性動力源接入的能量管理控制，最終實現了動力源與負載之間的協調配合。

2) 過分相功能：在動力電池組不發生故障時，通過CAN通信與其他子系統配合，在過分相階段給輔助變流器供電。

3) 保護功能：軟硬件直流過壓保護，電池過流、過溫保護，IGBT保護等。

3 輔助變流器系統

混合動力動車組的輔助變流器采用的是雙輔結構，即一個輔助變流器里面有2套獨立完整的輔助變流系統。輸入是從牽引變流器的直流母線獲取直流電壓，并且具有擴展供電功能。如圖 1下半部分所示。輔助變流器主要由輔助逆變器和充電機組成，車上的AC 380 V和AC 220 V負載由輔助逆變器供電，充電機輸入是輔助逆變器輸出的380 V交流電。

輔助逆變器的拓撲結構如圖3所示，輔助逆變器從牽引變流器直流母線受電，額定輸入電壓與牽引變流器直流母線額定電壓相同，為DC 1 650 V；經過三相全橋逆變、工頻隔離和輸出濾波后進行輸出，輸出模式是三相四線制，得到的相電壓為AC 220 V，線電壓為AC 380 V，供車載中壓設備使用。其中工頻變壓器的原邊為三角形接法，副邊為星型接法，這樣可以阻止原邊脈沖電壓所含的3次諧波進入副邊[7-8]。

圖3 輔助逆變器電路原理圖

在控制上采用了SVPWM(空間矢量脈寬調制)調制策略，并在傳統同步旋轉坐標系PI(比例積分調節器)控制的基礎上對控制算法進行優化，充分考慮了非線性負載所帶來的諧波問題，在傳統PI控制器的基礎上加入準諧振(R)控制構成準PIR閉環控制，有效保證了輔助逆變器的動態響應特性以及輸出電壓波形的質量，其控制策略如圖4所示。

圖4 輔助逆變器準PIR控制系統框圖

充電機的拓撲結構如圖5所示，前級是三相整流二極管，經過電容濾波給后級全橋DC/DC變換器供電，輸出經防反向二極管D4后給車上110 V負載以及110 V蓄電池供電。在控制給蓄電池充電時，根據電池的電流-電壓特性，采用分段充電方式，即“限流充電—恒壓充電—浮充溫度補償”三段式充電模式，該模式能使蓄電池壽命最長，充電效率最優。當充電機發生故障時，由110 V蓄電池給車上的直流負載供電。

圖5 充電機拓撲結構圖

混合動力動車組的輔助變流系統，能為車上的AC 380 V負載、AC 220 V負載以及110 V負載提供穩定可靠的電源。具體來看，整個輔助變流系統具有完善的系統控制功能，包括系統自檢測、輔逆擴展供電、蓄電池充放電控制、故障自恢復重啟、保護等功能。

4 網絡控制與故障診斷

在混合動力動車組上，牽引變流器以及輔助變流器均掛載在列車車底下，為方便獲取變流器相關的運行狀態、下發相關調試指令實現調試與故障診斷等功能，基于以太網通信和虛擬儀器技術，開發了具有良好人機交互的軟硬件監控系統，包括底層的控制器和上層的監控界面，大大提高了列車調試以及維護的效率。

牽引變流器監控系統的結構如圖6所示，輔助變流器的監控系統結構與此類似。

圖6 牽引變流器監控系統結構圖

底層是為混合動力動車組開發的高性能控制系統，牽引逆變器、四象限整流器、DC/DC變換器各由一塊主控板負責進行控制。另外采用了單獨一塊控制板用作監控板，用于與司機室通過RS-485進行通信，同時也負責實現跟上位機的以太網通信；DC/DC主控板通過RS-485與車載動力電池組的BMS(電池管理系統)進行通信，獲取當前車載動力電池組的狀態信息。4個控制板兩兩之間通過CAN進行互連，實時進行狀態數據的交互，同時通過監控板接收來自上位機的調試指令或往上位機上傳系統的狀態信息，從而實現便捷、高效的人機交互。

4.1 網絡控制

為實現現場的便捷調試，配合底層控制系統，開發了相應的變流器上位機監控界面，實現對變流器的網絡控制。功能包括系統相關的數字量、模擬量的上傳和下發，相關狀態的顯示,故障查詢、下載，虛擬示波器實時顯示相關狀態量的波形等，輔助變流器網絡控制系統功能與牽引變流器類似。通過軟硬件結合、底層控制系統與上位機的配合，為變流器提供了便捷的調試工具，同時基于虛擬儀器技術的狀態量顯示、波形觀測和存儲等功能，極大提高了現場調試的效率。

4.2 故障診斷

為對列車在調試或運行過程中出現的故障進行診斷，準確排查故障，及時恢復系統，設計了基于以太網通信和虛擬顯示技術的故障診斷系統。以牽引變流器的故障診斷系統為例進行說明(見圖7)，輔助變流器的故障診斷功能與此類似。

圖7 牽引變流器的故障診斷體系結構

底層的控制板每個負責1個子系統的功能，檢測電路、采集電路以及信號調理電路復用原來控制信號采集的回路。就故障診斷而言，牽引變流器的主控板及相應的電路設備分別作為各子系統的故障診斷子服務器，各子服務器負責各子系統檢測的故障診斷功能，監控板服務器根據網絡架構實時獲取網絡數據信息，從而對列車故障進行定位和診斷，輸出診斷結果和維修建議從而進行故障處理[9]。采用此種分布式體系的故障診斷系統有效均衡了各個子系統服務器的任務負載，實現了各系統間的良好協調，很好地利用了系統的軟硬件資源。

5 結語

本文介紹了我國首列混合動力動車組的牽引及輔助變流器系統，分別從變流器的系統結構、控制功能、網絡控制及故障診斷等方面進行展開。與傳統動車組的變流系統相比，設計了多動力源接入，并解決了相關的技術問題。目前所研制的牽引及輔助變流器已通過型式試驗并已裝車使用，目前正在進行30萬km運營考核。實際運行狀況穩定，證明了該設計的可行性與合理性。該設計為我國譜系化動車組技術提供了有力的技術支持，對自主化國產動車組研發與創新具有重要的意義。