城市軌道交通中輔助供電系統的研究

趙志 劉洋 楊雷

摘 要：城市軌道交通車輛輔助供電系統有80%的容量都是為空調系統供電，目前空調機組內電機均為交流電機，輔助逆變器通過直流-直流-交流-直流-交流將DC1500V直流逆變為AC380V為空調系統供電，隨著變頻空調的大量使用，該輔助供電系統的方案因多次進行電能變換導致效率低下，本文提出一種新的輔助供電系統拓撲方案，能極大的提升系統供電效率，降低車輛重量和成本。

關鍵詞： 軌道交通;輔助逆變器;空調系統;變頻

1 概況

近年來城市軌道交通在國內飛速發展，車輛運營考核制度也趨于成熟，節能和減重已經列入車輛性能的重要考慮目標。同時隨著變頻技術的迅猛發展，變頻空調已經在國內普及，我國應用變頻空調的城軌電客車主要基于原定頻空調列車結構進行的改進，主流方案是在電客車的定頻空調前增加了變頻器控制，從而實現變頻變壓，提升空調的綜合效率。這種方式對整車的更改較少，但是從變頻空調供電結構看，由于變流結構比較繁瑣，各個環節總的能量損耗大，供電的效率較定頻空調來說，反而有所降低，從而制約了列車空調系統整體效率的提高

2 輔助供電系統

如下圖所示，傳統輔助供電系統拓撲結構圖，該圖為變頻空調系統。

雖然變頻空調本身能夠實現節能，但是電源系統本身的效率將會由于加入更多的電能轉化環節而降低（例如：92%（輔逆） x 92% （變頻器）= 85%。同時該系統應用與變頻空調系統，會導致如下問題：

（1）空調供電結構變流環節較多，系統本身的成本更高。

（2）變頻器本身會導致輔助供電系統電壓波形產生更高的畸變，從而導致列車輔助供電系統在某些情況下失效。

（3）更多的變流環節需要更多的維護工作，從而增加系統壽命內周期成（LCC）。

3 新型輔助供電系統C-lite平臺

考慮到變頻空調系統交-交變頻，存在環節重復，多次電能變化導致大量能量損耗，整個輔助供電系統有80%的能耗用于空調，因此通過改變空調供電中間流程，可以極大提升變頻空調系統的能量利用率。C-LITE平臺的拓撲結構圖如下：

3.1節能分析

傳統車變頻空調采用三相交流供電，C-LITE方案中的變頻空調由直流電源供電。C-LITE電源方案的電能轉換的環節較少（原直-直-交-直-交變為直-直-交），故效率更高;同時變頻空調系統采用優化的溫度控制算法，在保證可靠性、舒適性的前提下更節能。

3.2降本分析

經優化設計的C-LITE電源比原系統的輔助逆變器結構更簡單，重量及尺寸都更小，成本比原系統的輔助逆變器更低。同時，由于C-LITE電源的單臺容量較大（額定輸出功率166kW），剩余2臺帶充電機的輔助逆變器功率在保持100%冗余的條件下，功率可由75KVA降至50KVA（功率降低，成本下降）。C-LITE電源采用獨立的空調供電母線，對空調負載管理有諸多優勢：如在不影響其他負載的情況下，空調系統的運行功率可根據直流供電母線的輸出功率進行靈活控制;當空調出現運行故障時，不會影響到其他供電母線上的負載，從而提高了車輛運行的可靠性;便于實現母線的安全監測、冗余設計，以及空調系統的優化設計等。

3.3乘客舒適性分析

空調系統設計充分考慮了舒適性要素以滿足乘客舒適性需求，通過整車空調系統型式試驗驗證，在執行EN14750熱舒適性要求的基礎上，結合PMV-PPD對舒適性的研究成果。達到如下成果：

（1）溫度控制穩定性：現車實際溫度控制精度達到±1℃;

（2） 溫度控制響應性：變頻容量控制和電子膨脹閥開度控制實現快速控溫

（3）目標溫度優化：依據載客量優化目標溫度設定;

（4）新風量控制優化：依據載客量控制新風;

（5） 濕度控制優化：通過送風量、壓縮機容量、盤管表面溫度控制除濕能力。

3.4 減重分析

城市軌道交通車輛在國內已經成熟，目前的發展方向主要是從車輛的性能F方面做研究，減重和節能是其中的重要研究對象，傳統輔助供電系統C-LITE平臺的重量對比分析見下圖

4結語

新型輔助供電系統C-LITE平臺，在變頻空調系統中擁有絕對的優勢，從減重、成本、節能、舒適性4各方面對于傳統供電系統均由較強的優勢，目前城市軌道交通車輛，變頻空調系統所占市場份額仍然不高，隨著變頻空調系統裝車業績逐漸成熟可靠，從能源的角度考慮，變頻空調系統會逐步完全取代定頻空調系統，因此雖然C-LITE平臺在市場上取得主導地位只是時間問題。傳統輔助供電系統的優勢在于經過了多年的運營考核，系統非常成熟，故障率極低。

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