城軌車輛輔助供電系統節能方案研究

彭敏　肖曉

摘 要：隨著變流技術、控制技術和計算機技術的發展，城市軌道交通已成為市民出行的主要方式，為了響應國家節能降耗政策，加快建設資源節約型、環境友好型社會，開展城市軌道交通車輛輔助供電系統節能方案研究，對城市軌道交通系統能耗優化具有重要意義。文章通過分析車輛輔助供電系統主電路結構和空調等重要負載供電電路，提出一種基于高頻直流斬波降壓電源的車輛輔助供電系統優化方案，描述其基本原理，并通過理論計算對優化方案的節能效果進行驗證。

關鍵詞：城市軌道交通;車輛;輔助供電系統;節能方案

中圖分類號：U213.8

0 引言

城市軌道交通系統車輛總能耗主要包括牽引供電能耗和輔助供電能耗。其中，牽引供電能耗指列車動力系統耗能，通過牽引供電系統提供;輔助供電能耗指動力系統以外的其他設備如列車控制系統、空調系統、制動系統、照明系統、門控系統、信號系統等產生的耗能，通過輔助供電系統提供。輔助供電能耗占車輛總能耗的30%～40%。因此，開展城市軌道交通車輛輔助供電系統節能方案研究具有重要意義。

1 輔助供電系統

城市軌道交通車輛輔助供電系統是將從接觸軌或接觸網獲得的直流電能轉變成車載子系統所需的AC 380 V和DC 110 V。其中AC 380 V負載主要包含設備冷卻風機和空調壓縮機、冷凝器、通風機和制動系統空氣壓縮機等。DC 110 V負載主要包含照明系統、門控系統、信號系統、列車控制系統等。

城市軌道交通車輛輔助供電系統目前普遍采用“工頻逆變-變壓”技術方案，通過受流器從接觸軌或接觸網獲得直流電，經過直流濾波、逆變、交流濾波、隔離降壓，輸出AC 380 V，同時，通過降壓、整流轉換為 DC 110 V。其基本原理如圖1所示。輔助供電系統主要包括直流濾波器、工頻逆變器、工頻交流濾波器、工頻隔離變壓器 、降壓變壓器和二極管整流器等電路設備。各設備主要功能如下：

（1）直流濾波器設在DC 1 500 V高壓母線和逆變電源中間，用于抑制高壓直流輸電系統直流側諧波;

（2）工頻逆變器通過脈寬調制技術和微電腦控制技術將直流電轉化成AC 380 V / 50 Hz電壓;

（3）工頻交流濾波器用來濾除交流諧波，避免對系統帶來不良影響;

（4）工頻隔離變壓器用于對輸出電壓隔離和降壓;

（5）降壓變壓器將AC 380 V降壓為整流器所需的AC 150 V;

（6）二極管整流器將降壓變壓器提供的AC 150 V整流變換為DC 110 V。

傳統車輛輔助供電系統方案中，由于降壓環節在系統中處于靠后位置，導致降壓變壓器輸出側相應部件的耐壓等級提高，尤其是大功率工頻隔離變壓器質量和體積均偏大。因此，傳統輔助供電系統不僅效率低、對安裝空間要求高，而且不利于車輛輕量化設計。

2 輔助供電系統優化方案

2.1 電源端優化方案

隨著電力電子和控制技術的發展進步，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）技術進一步發展，逆變器開關頻率也越來越高。因此，基于高頻直流斬波降壓電源對傳統車輛輔助供電系統電源端進行優化后，可以提供DC700V、AC 380 V和DC 110 V 3種不同制式和電壓等級的輔助輸出電源。其中DC 700 V直接為空調系統提供電能。

優化后輔助供電系統主電路結構如圖2所示。該輔助供電系統高頻降壓-逆變方案主要包括直流濾波器、高頻降壓斬波器、工頻逆變器、工頻交流濾波器、高頻逆變器、高頻變壓器、高頻整流器和濾波器等電路設備。各設備主要功能如下：

（1）直流濾波器用于抑制高壓直流輸電系統直流側諧波;

（2）高頻降壓斬波器位于輸入濾波器后端，將DC1500V通過脈寬調制或頻率調制方式轉換為電壓極性相同的DC 700 V;

（3）工頻逆變器將直流電轉化成AC 380 V / 50 Hz交流電;

（4）工頻交流濾波器濾除交流諧波;

（5）高頻逆變器將輸入的DC 700 V轉化為中間的高頻交流電源;

（6）高頻變壓器用于中間電壓變換;

（7）高頻整流器將變壓器提供的中間交流電壓轉換為負載所需的DC 110 V;

（8）濾波器用于直流輸出端電壓濾波。

2.2 用電端優化方案

AC 380 V輸出能耗占輔助供電系統總輸出能耗90%以上，其中空調系統能耗占AC 380 V輸出能耗80%以上，因此，本文主要對空調供電回路進行優化研究。

2.2.1 傳統空調供電回路

當城市軌道交通車輛采用定頻空調時，空調系統供電電路通過控制壓縮機的工作時間占比控制空調制冷量，即由主電路輸出的AC 380 V經過濾波后直接向空調系統供電，無需額外變頻。但定頻空調系統工作時制冷量是一定的，只能通過頻繁的啟停壓縮機控制制冷量;隨著變頻空調技術的出現，可通過改變空調系統壓縮機工作頻率，實現空調制冷量的精準調節，達到節能降耗的目標。

由AC380V作為空調系統電源時，如采用變頻空調系統，需先經整流器整流，然后經逆變器將直流電逆變成交流電提供給空調系統的變頻壓縮機，傳統變頻空調用電主回路如圖3所示。但變頻空調系統在整流過程中存在一定的能量損耗（一般整流器效率約為96%），降低了輔助供電系統總效率。

2.2.2 空調供電回路優化方案

基于輔助供電系統優化方案和空調變頻技術的成熟，提出一種新的“輔助電源→空調”供電方案，即將輔助供電系統第一級輸出降壓形成的DC700V直接提供給變頻空調的逆變模塊進行逆變，并在該過程中實現變頻控制，優化后的空調供電回路如圖4所示。

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收稿日期 2019-07-09

責任編輯 宗仁莉

Study on energy saving solutions of auxiliary power supply system for urban rail vehicles

Peng Min， Xiao Xiao

Abstract： With the development of converter technology， control technology and computer technology， urban rail transit has become the main mode for people to travel. In order to respond to the national policy of energy saving and consumption reduction， accelerate the construction of resource-saving and environmental-friendly society， and carry out the research on the energy-saving solutions of auxiliary power supply system of urban rail transit vehicles， it is of great significance for the optimization of energy consumption of urban rail transit system. By analyzing the main circuit structure of the vehicle auxiliary power supply system and the important load power supply circuits such as air conditioning， this paper puts forward an optimization solutions of the vehicle auxiliary power supply system based on the high frequency DC chopper step-down power supply， describes its basic principle， and verifies the energy-saving effect of the optimization solutions through theoretical calculation.

Keywords： urban rail transit， vehicle， auxiliary power supply system， energy saving solution

作者簡介：彭敏（1986—），女，工程師