動車組蓄電池供電的應急牽引系統(tǒng)

陳東

摘要：為解決當動車組在運行過程中，由于弓網(wǎng)故障或高壓設備故障導致無法從接觸網(wǎng)取電運行時，提出了一種高速動車組蓄電池供電的應急牽引技術方案，介紹了動車組車輛參數(shù)及性能要求，闡述了牽引系統(tǒng)組成、牽引制動特性、運行控制方案等。通過開展整車蓄電池應急牽引試驗，驗證了方案的可行性及性能

關鍵詞：高速動車組;蓄電池;牽引變流器;雙向充電機;應急牽引

1 引言

目前國內所有高速動車組的牽引傳動完全依賴于接觸網(wǎng)供電，在運行過程中，當弓網(wǎng)故障或高壓設備故障時，動車組只能等待機車救援至最近的車站清客，一旦發(fā)生此類事故，不僅會造成同一線路的動車組運行大范圍延誤，而且在這段時間內，乘客的安全是無法保障的，極有可能引起不必要的恐慌[1]。如果此時能夠利用動車組車載蓄電池實現(xiàn)動車組應急牽引，當發(fā)生高壓中斷情況時，就能保證列車能夠平穩(wěn)運行至下一個供電區(qū)間，讓列車具備不間斷供電能力，將很大程度上提高高速動車組的運用靈活性和可靠性，目前，蓄電池供電的應急牽引技術項目的應用環(huán)境多數(shù)為地鐵車輛出庫時或簡單調車時，且運行速度通常低于5km/h[2]，動車組蓄電池供電應急牽引較高速運行（大于30km/h）功能在軌道交通行業(yè)是個新課題[3]。因此，研究蓄電池緊急牽引功能在動車組上的應用具有很強的實用性以及重要的現(xiàn)實意義。

本文針對高速動車組在接觸網(wǎng)無電或高壓系統(tǒng)故障的緊急工況，提出了基于車載蓄電池的高速列車應急牽引系統(tǒng)方案，對牽引系統(tǒng)拓撲結構、系統(tǒng)設計方案進行分析，同時綜合考慮了列車的牽引/制動特性、運行速度/時間要求以及蓄電池能力等限制，提出高速列車自走行方案。

2系統(tǒng)概述

以國內某型高速動車組為原型進行設計，該型動車組為動力分散式電動車組，牽引系統(tǒng)主要由牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機等組成，車輛主要技術參數(shù)如下：

動車組正常情況下由接觸網(wǎng)供電，動車組受電弓從AC25kV接觸網(wǎng)獲取電能，通過牽引變壓器降壓輸出單相交流電供給整流器，整流器將單相交流變換成直流電經(jīng)中間直流電路輸出給逆變器，逆變器輸出三相VVVF交流電供給異步牽引電動機。同時變流器內部集成輔助變流器的功能，從牽引輔助變流器中間直流回路取電，將直流電壓變換為3相AC 380V/50Hz電壓，為動車組輔助負載、雙向充電機提供電源，并由雙向充電機向蓄電池充電。

在動車組高壓供電異常時，司機操作發(fā)出蓄電池應急牽引信號至牽引變流器、雙向充電機、蓄電池，雙向充電機從DC110V蓄電池取電，開始向輔助母線提供3相380V電源，通過輔助變壓器升壓，經(jīng)輔助逆變器整流后形成中間電壓，后經(jīng)逆變器輸出驅動牽引電機工作。

2.1 蓄電池方案

蓄電池采用了成熟度高、安全性較高、循環(huán)壽命長的鈦酸鋰電池。電池系統(tǒng)由鈦酸鋰電池模組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、充放電回路、牽引回路等組件構成。BMS具備單體電池電壓和溫度等信號檢測、與充電機RS485通訊以及輸出接觸器控制功能，保證電池不出現(xiàn)過充電和過放電。

2.2雙向充電機方案

雙向充電機由3AC/DC+DC/DC、輸入LC低通濾波、輸出濾波等環(huán)節(jié)構成，實現(xiàn)能量的雙向流動。正向輸出DC110V時：將輔助變流器輸出的3AC380V交流電作為雙向充電機的輸入，經(jīng)過PWM整流、直流濾波得到直流電，再經(jīng)過雙向全橋DC/DC變換輸出可控的DC110V直流電。反向逆變輸出3AC380V時：電池輸出的DC110V直流電作為充電機的輸入，在每個功率模塊內部經(jīng)過雙向全橋DC/DC變換輸出可控的高壓直流電，再經(jīng)過逆變橋、LC低通濾波輸出可控的3AV380V交流電。如圖2-3所示。

3 動車組蓄電池牽引控制策略

受限于蓄電池應急牽引方案，雙向充電機供電電壓及能力，需要對蓄電池應急牽引運行模式進行特殊控制。

3.1 動車組蓄電池牽引運行最大速度控制

當輔助變流器輸入電壓為三相AC380V時，經(jīng)過輔助變壓器升壓、輔變模塊不控整流后，牽引變流器空載運行時牽引變流器中間直流電壓理論值計算為：

考慮到牽引系統(tǒng)以最大功率輸出時的壓降、輸入三相電壓波動等因素，中間直流電壓值按1500V考慮。

根據(jù)三相橋式逆變電路基波電壓計算公式，1500V中間直流電壓能夠輸出的最大基波有效值為：

在不改變電機特性的情況下，為保證動車組正常高壓供電時電機特性不受影響。根據(jù)動車組電機的VF特性曲線對牽引變流器最大輸出電壓進行校核，動車組最高運行速度為86km/h。

在蓄電池應急牽引時，當動車組運行速度超過80km/h，牽引變流器停止工作，車輛轉為惰行運行。

3.2 動車組運行模式控制

動車組運行過程可由牽引、恒速、惰行及制動組成，根據(jù)列車優(yōu)化操縱的理論分析，綜合考慮線路約束條件，尋找最優(yōu)惰行點或制動點，最優(yōu)操縱序列可由以上4種工況組合而成，全力牽引與全力制動工況可減少列車能耗并保證行車效率[7]。

動車組蓄電池應急牽引過程中，能量主要消耗在牽引供電、交流輔助負載和直流負載，理論上動車組最低速度運行時可減小牽引能耗，但由于運行時間變長，會導致交流輔助和直流負載的能耗增大，需要選取一個合適的運行方式，使得動車組運行全程能耗最小。能耗計算的主要方法是首先建立以動力學方程為基礎的列車運行模型，再利用積分求得運行全程的蓄電池能耗，然后通過數(shù)值方法對模型進行結算，最終獲得最小能耗速度曲線。

動車組運行過程的運動學關系可以描述為：

式中的狀態(tài)變量分別代表動車組行駛時的距離、速度和加速度。

建立動車組蓄電池牽引下，最小能耗模型：

為了確定最優(yōu)運行方式，對積分形式的狀態(tài)方程進行離散化處理，使用梯形求積公式進行求解。

對蓄電池供電應急牽引工況下動車組典型運行線路5‰坡道5km+15km平直道進行仿真，通過對不同的運行模式、30km/h～80km/h不同的恒速速度設置值及不同恒速工況策略等兩大類進行仿真。

當設置仿真步長為1m，選取最大牽引全程運行和不同的恒速運行速度點，仿真結果顯示動車組在最大牽引+恒速50km/h時最節(jié)能。

4 動車組蓄電池應急供電牽引系統(tǒng)邏輯控制

應急牽引系統(tǒng)控制流程圖如附圖4-1所示，具體控制邏輯如下：

①司機操作蓄電池應急供電開關，網(wǎng)絡系統(tǒng)（TCMS）對應急供電信號進行采集，確認有效后將應急模式信號傳送給充電機、牽引變流器。

②充電機接收到網(wǎng)絡轉發(fā)的蓄電池應急供電模式指令后，斷開充電機正常工況時的電路輸入，保證三相輸入側的輸入接觸器斷開，避免三相母線有電后，充電機的三相輸入側電路啟動。

③牽引變流器收到蓄電池應急供電模式指令后，立即封鎖四象限整流和輸入接觸器K，轉入蓄電池牽引模式，等待應急牽引就緒指令。

④網(wǎng)絡轉發(fā)應急牽引模式后延時3秒對所有蓄電池電流、電壓進行采集和判斷，確認是否滿足應急供電模式。

⑤④雙向充電機收到蓄電池牽引就緒指令后，啟動逆變功能，給牽引變流器提供3AC380V電源;牽引變流器收到蓄電池牽引就緒指令，判斷雙向充電機已正常輸出后，響應司機牽引行車的指令。

5 試驗驗證

在動車組整車試驗中開展蓄電池供電的應急牽引試驗，在試驗中蓄電池、充電機、牽引變流器、牽引電機可正常工作，動車組蓄電池應急牽引功能滿足動車組運用要求，動車組最高運行速度超過70km/h。同時在試驗中開展動車組節(jié)能運行策略進行研究。分別開展目標速度為70km/h、60km/h 、50km/h的蓄電池應急牽引試驗，試驗結果表明恒定速度50km/h節(jié)能效果最好。

6 結語

本文提出了一種高速動車組蓄電池應急牽引系統(tǒng)方案，通過蓄電池、雙向充電機、牽引變流器匹配設計，蓄電池應急牽引模式下動車組最高運行速度達到70km/h，運行里程超過24km，在國內首次實現(xiàn)了高速動車組蓄電池應急牽引。該項目經(jīng)過技術驗證，目前已批量運行，運行情況良好。

參考文獻：

[1]曹增明. 城軌車輛自牽引技術研究與分析[J]. 技術與市場， 2018（5）.

[2]李慧娟. 新型牽引技術在城軌車輛自救應用中的研究[J]. 沿海企業(yè)與科技， 2013（4）：17-20.

[3]譚海云， 李勇. 蓄電池牽引在上海地鐵16號線車輛上的應用[J]. 機車電傳動， 2015（6）：83-85.

[4]王兆安，黃俊. 電力電子技術. 機械工業(yè)出版社，2000.

[5]邱關源，羅先覺. 電路第五版.高等教育出版社，2006

[6]肖世雄， 范忠勝， 溫志強. 蓄電池緊急牽引技術在地鐵列車上的應用[C]// 2010城市軌道交通關鍵技術論壇論文集. 2010.

[7]肖家博， 丁榮軍， 尚敬. 重載列車關鍵控制技術研究和展望// 2019 機車電傳動. 2019（1）：1-8.