地鐵車輛輔助供電系統論述

楊毅

（新譽龐巴迪牽引系統有限公司，江蘇 常州 213166）

地鐵作為現代城市中快速、便捷、清潔和高效的交通工具，已成為一個國家綜合國力、城市經濟實力、人們生活水平及現代化的重要標志。輔助系統是地鐵車輛上的一個必不可少的關鍵的電氣部分，它可為空調機、通風機、空壓機、蓄電池充電器及照明等輔助設備提供供電電源。

1 地鐵車輛輔助供電系統的組成

輔助供電系統主要通過輔助變流器獲得三相交流電源，利用供電干線將三相交流電源提供給各用電設備，包括充電機。再利用充電機給低壓負載供電并給蓄電池充電。在輔助變流器故障情況下，由蓄電池提供應急電源，保證列車安全。

2 地鐵車輛輔助供電方式

目前，地鐵輔助供電供電方式，主要包括交叉供電、擴展供電和并網供電。以下以一列車有兩個獨立的ACM 為列，分別介紹三種供電方式。

2.1 交叉供電

交叉供電是將每節車廂的交流負載采用分組式母線供電。正常供電的時候，每個車負載根據功率平均分為兩組，由兩個ACM 通過兩路不同供電干線對列車負載進行供電。對于牽引和輔助的冷卻風機等重要負載，兩個ACM 均為其供電，起到冗余作用。

2.2 擴展供電

擴展供電是將車輛分為兩個獨立的供電單元，僅有一路母線供電貫穿整列車。兩個ACM 均連接到母線上，中間設有一個接觸器將兩個ACM 分斷，使其不會并網運行。當兩個ACM 正常工作時，擴展接觸器處于斷開狀態，每個逆變器為本單元交流負載供電。當其中一個逆變器故障時，通過控制擴展接觸器閉合，有工作狀態良好的逆變器為整列車的交流負載供電。考慮到逆變器的容量限制，此時，每節車的空調要減載運行。

2.3 并網供電

并網供電同擴展供電，僅有一路母線供電貫穿整列車，兩個ACM 同時向母線進行供電，整列車的負載都在母線上取電。在故障的時候，故障的ACM 停止工作，由剩余的ACM向干線供電。當故障的ACM 數量達到設定值時（如：2/3 或1/2 故障），空調減載。

2.4 輔助供電方式比較

三種輔助供電方式進行比較：

（1）并網供電和交叉供電負載切換方式簡單，影響較小，擴展供電影響大。

并網供電和交叉供電，當ACM 故障或恢復時，負載切換由網絡負責判斷控制，不需要單獨設置復雜的硬件電路。擴展供電設置了擴展接觸器，為了不損壞擴展接觸器，在切換過程中，需要將車輛所有ACM 停機。

圖1 并網供電控制圖

（2）并網供電和擴展供電布線少，交叉供電復雜。

交叉供電需要在列車上布設兩路三相四線制的列車線，而并網和擴展只需一路列車線，從數量上減少一半，線纜重量也減少一半，對整車減重有明顯優勢。

（3）舒適度性，交叉供電模式ACM 故障只能啟用一半負載，而擴展供電和并網供電能最大限度地利用ACM 的容量，讓更多的負載工作，為乘客提供更舒適的環境。

綜合以上比較，并網供電切換方式簡單，布線少，能最大程度保證列車輔助系統運行。目前，隨著并網供電方案的不斷完善，并網供電正在越來越多地被推廣應用。

3 地鐵車輛輔助并網供電

并聯供電要求母線上三相電壓幅值，相位和頻率都要相同。所以每臺ACM 配置輔助負載接觸器，用于并網供電或者故障隔離。各ACM 能按照正常時序啟動，只有電壓幅值、相位和頻率相同母線，負載接觸器閉合，達到并網供電，如圖1 所示。

并網供電要求在網絡正常和無網絡模式下都能實現。

3.1 網絡正常并網供電

列車激活，高壓系統正常供電，所有ACM 啟動自檢。自檢完成后，網絡根據ACM 物理編碼地址，指定第1 臺ACM 為主啟動，其余ACM 的三相輸出接觸器均保持分斷狀態。當第1 臺ACM1 完成啟動，網絡收到輔助母線激活信號，立即發送啟動指令給下一臺ACM2（大約4s）。間隔大約1s，網絡發送啟動指令給下一臺ACM3（大約5s）。間隔大約1s，網絡發送啟動指令給下一臺ACM4（大約6s）。第2 臺ACM2 通過其自身的電壓傳感器與網絡交互信息，使其跟隨第一臺ACM的輸出波形，一旦實現同步，即閉合三相輸出接觸器，完成同步工作啟動完成（大約8s）。第3 臺ACM3 啟動完成（大約9s）。第4 臺ACM4 啟動完成（大約10s），如下圖2 所示。

在并網過程中，作為主的第1 臺ACM 無法正常啟動，網絡將其隔離，同時把第2 臺ACM 作為主，按照以上時序控制進行啟動。當第4 臺ACM 完成并網后，網絡再次控制第1 臺ACM 作為子ACM，進行并網。第2 臺ACM 無法作主，按此方法依次選主。

圖2 并網供電時序控制圖

圖3 帶母線接觸器的并網供電控制

3.2 無網絡并網供電

無網絡指定主和控制并網時序時，一般有兩種方式來實現：

第一種，采用競爭機制，即“誰先誰主”的模式。當列車激活，高壓系統正常供電，選定第一臺向中壓母線輸出的ACM 為主，后續其他ACM 將通過連接在三相輸出接觸器上和下級的兩組電壓傳感器進行比較，（上級電壓傳感器檢測ACM 自身的輸出波形，下級電壓傳感器則是檢測中壓母線的波形），以確定自身輸出是否已與中壓母線的電壓波形同步，一旦完成同步，由輔助逆變控制器發出三相輸出接觸器吸合指令，從而實現并網。其他ACM 的啟動時序不受物理控制，只根據并網條件有關。

第二種，主機和從機啟動順序的選擇應取決于MVB 總線的設備的地址。當列車激活，高壓正常供電，第1 臺ACM 被指定主，進行正常單啟動。剩余的ACM 檢查依次設置延遲時間后啟動。

如果在第1 臺ACM 不能成功啟動，過30s 后，此ACM 要離開它的主狀態。第2 臺ACM 作為主啟動之前，需要用30s時間來核實備用模式信號是否激活或在5s 內是否有電壓（＜50V）。其他ACMs 按上面所述的方法，檢查三相總線是否滿足，然后，再進行并網。第1 臺ACM 還將試圖以子逆變器試圖進行同步。

3.3 帶母線接觸器的并網供電

為了避免當母線發生短路故障，無法隔離故障母線，導致整車輔助供電系統癱瘓，會在輔助母線上增加接觸器。母線接觸器的位置可直接加在列車的中間，可隔離發生半列車短路母線，如圖3 所示。

母線接觸器也可以設置多個，設置在母線的不同位置，提高母線的可用性。當然，隨著接觸器的增多，控制的方法會變得更加復雜。

4 結語

本文主要研究了地鐵車輛的輔助供電系統，分析了輔助供電系統的幾種方式，并比較了幾種方式的優缺點，具體闡述了車輛輔助并網供電的控制方式。但是，對于帶母線接觸器控制的并網控制，還需要進一步研究。