軌道交通車輛弱電系統(tǒng)不間斷電源控制方法

孫 博

（大連日佳電子有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

在城市軌道交通領(lǐng)域當(dāng)中，弱電系統(tǒng)的種類眾多，并且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。弱電系統(tǒng)的運(yùn)行是否穩(wěn)定，直接關(guān)系到整個(gè)軌道交通的安全。因此，弱電系統(tǒng)在其使用的過程中，不僅需要具有較高的可靠性，還應(yīng)當(dāng)為其配備相應(yīng)的應(yīng)急供電電源，確保弱電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷的運(yùn)行[1]。由于弱電系統(tǒng)當(dāng)中，具備不同功能的硬件設(shè)備，其不間斷電源的規(guī)格、型號都各不相同，傳統(tǒng)控制方法通常是采用分別控制的方法，針對不同的電源分別進(jìn)行控制。但這種方法在實(shí)際應(yīng)用中十分不利于各類資源的共享，還會(huì)導(dǎo)致軌道交通車輛在其運(yùn)營的過程中需要大量的維護(hù)工作量，對于蓄電池的維護(hù)也十分困難，嚴(yán)重影響著軌道交通車輛的正常運(yùn)行。因此，針對這一問題，本文為解決傳統(tǒng)控制方法存在的弊端，提出一種全新的電源控制方法。

1 不間斷電源控制方法設(shè)計(jì)

此次對軌道交通車輛弱電系統(tǒng)不間斷電源進(jìn)行控制，首先整合軌道交通車輛弱電系統(tǒng)電源，確保弱電系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性；其次，引入電流環(huán)控制器，確保逆變輸出的動(dòng)態(tài)性能，使電流控制在一定范圍內(nèi)；最后，基于差值補(bǔ)償函數(shù)實(shí)現(xiàn)電源準(zhǔn)確控制。

1.1 整合軌道交通弱電系統(tǒng)電源

在軌道交通車輛弱電系統(tǒng)當(dāng)中，不間斷電源主要為通信設(shè)備、信號設(shè)備、火災(zāi)報(bào)警設(shè)備等提供電源。為了確保本文控制方法的控制效率，本文采用一種整合控制的方式，實(shí)現(xiàn)對不同電源進(jìn)行統(tǒng)一控制[2]。在控制前，首先對各電源進(jìn)行整合，軌道交通車輛的弱電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中只要依靠直流操作電源完成，因此將通信、信號、安全門、閘門等硬件設(shè)備及結(jié)構(gòu)的不間斷直流電源看作是整個(gè)直流電源的負(fù)載，并在弱電系統(tǒng)的各個(gè)入口位置上，根據(jù)弱電系統(tǒng)運(yùn)行的需要，對電源種類進(jìn)行選擇，并將其分別引入到相應(yīng)的模塊當(dāng)中。整合后軌道交通弱電系統(tǒng)開關(guān)電源如圖1所示。

對軌道交通車輛當(dāng)中各個(gè)弱電系統(tǒng)均設(shè)置2路獨(dú)立存在的交流輸入電源，并在輸入側(cè)加裝進(jìn)線電源切換設(shè)備[3]。若在實(shí)際車輛運(yùn)行過程中，弱電系統(tǒng)2路交流輸入電源均出現(xiàn)了故障問題，導(dǎo)致其無法實(shí)現(xiàn)電力傳輸，則此時(shí)統(tǒng)一由直流電源的蓄電池為各個(gè)弱電系統(tǒng)提供不間斷電源。

1.2 引入電流環(huán)控制器

在對不間斷電源進(jìn)行控制時(shí)，為了確保電源能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓恒頻的狀態(tài)，本文在控制過程中引入電流環(huán)控制器，將其安裝在弱電系統(tǒng)的不間斷電源上。在電流環(huán)控制器當(dāng)中，導(dǎo)入半橋逆變裝置的控制模型，利用其帶寬和相角裕度滿足不間斷電源性能和穩(wěn)定度要求，圖2為電流環(huán)控制器連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 電流環(huán)控制器連接結(jié)構(gòu)示意圖

由于在實(shí)際控制過程中，不間斷電源為弱電系統(tǒng)提供能量會(huì)出現(xiàn)設(shè)備投載和卸載或空載、滿載反復(fù)切換的現(xiàn)象[4]。因此，為了使不間斷電源的輸出量能夠?qū)崿F(xiàn)對正弦波的跟蹤，此時(shí)電流環(huán)若運(yùn)行過快，則輸出的電壓會(huì)出現(xiàn)跌落現(xiàn)象，造成較大的電流用于對電壓跌落的補(bǔ)償，若沒有在電流環(huán)控制器當(dāng)中加入電路限制用于對電流進(jìn)行控制，則會(huì)造成弱電系統(tǒng)的電流過大，進(jìn)而發(fā)生損壞，電壓、電流控制裝置如圖3所示。因此，本文在引入電流環(huán)控制器時(shí)，選用雙環(huán)控制裝置，確保逆變輸出的動(dòng)態(tài)性能，從而將電流始終控制在合理的范圍內(nèi)。

圖3 電壓、電流校正裝置

1.3 基于差值補(bǔ)償函數(shù)實(shí)現(xiàn)電源控制

為了確保在對不間斷電源控制的過程中，弱電系統(tǒng)能夠保證更加穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，需要對不間斷電源電壓運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的差值進(jìn)行補(bǔ)償。本文選擇在引入的電流環(huán)控制器當(dāng)中，添加對電源電壓運(yùn)行差值的補(bǔ)償函數(shù)，其函數(shù)的表達(dá)式如公式（1）所示：

公式（1）中，Pcompensate表示為電源電壓運(yùn)行差值補(bǔ)償值；M表示為不間斷電源帶寬；α表示為電源相位裕度；n表示為標(biāo)準(zhǔn)頻率下相位滯后補(bǔ)償系數(shù)。實(shí)際在計(jì)算工程中，將低頻段上的增益設(shè)置為無窮大，高頻段快速衰減，以此實(shí)現(xiàn)弱電系統(tǒng)的零靜差跟蹤，確保電源在控制的過程中得到快速響應(yīng)[5]。在對不間斷電源進(jìn)行控制的過程中，由電流環(huán)控制器對產(chǎn)生電源電壓運(yùn)行差值時(shí)的不間斷電源進(jìn)行控制，以此確保電源電壓運(yùn)行差值始終在合理的范圍內(nèi)，確保弱電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 對比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)本文上述研究內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了對軌道交通車輛弱電系統(tǒng)不間斷電源控制方法的理論設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在實(shí)際應(yīng)用中的性能，本文以某城市軌道交通車輛為例，將其作為實(shí)驗(yàn)對象，分別利用本文提出的控制方法和傳統(tǒng)控制方法對其弱電系統(tǒng)的不間斷電源進(jìn)行控制。為了方便對兩種控制方法的比較，本文將弱電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中電源電壓的穩(wěn)定性作為對比指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)過程中，分別記錄兩種不同控制方法下弱電系統(tǒng)的電源電壓，實(shí)驗(yàn)檢測過程如圖4所示。

圖4 城市軌道交通弱電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖

通過計(jì)算得出其相應(yīng)的電源電壓運(yùn)行差值，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表1所示。

表1 兩種控制方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表

從表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文控制方法下電源電壓運(yùn)行差值均小于±0.5 V，而傳統(tǒng)控制方法下電源電壓運(yùn)行差值均超過±3.0 V。電源電壓運(yùn)行差值越小，則表示該控制方法下弱電系統(tǒng)的電源電壓運(yùn)行越穩(wěn)定；反之，電源電壓運(yùn)行差值越大，則表示該控制方法下弱電系統(tǒng)的電源電壓運(yùn)行越不穩(wěn)定。通過在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，本文在控制方法當(dāng)中引入了電流環(huán)控制器并在其內(nèi)部增設(shè)了針對電源電壓運(yùn)行差值的補(bǔ)償函數(shù)，因此在出現(xiàn)運(yùn)行差值較大的情況下，能夠在第一時(shí)間通過控制器對電源電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，通過對比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的控制方法在應(yīng)用于實(shí)際軌道交通車輛的弱電系統(tǒng)當(dāng)中，能夠有效提高弱電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文針對當(dāng)前軌道交通車輛弱電系統(tǒng)不間斷電源采用的傳統(tǒng)控制方法存在的弊端問題，開展相關(guān)研究，通過研究提出一種全新的電源控制方法。通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法在實(shí)際軌道交通當(dāng)中能夠得到具體應(yīng)用，具有較高的創(chuàng)新性。但由于研究能力有限，本文在設(shè)計(jì)控制方法時(shí)，未考慮到不間斷電源的電壓振蕩問題，因此仍然存在會(huì)出現(xiàn)電源電壓無法及時(shí)得到控制的問題，針對這一問題，本文控制方法還有進(jìn)一步優(yōu)化和改善的空間。