城市軌道交通車輛輔助供電系統研究及其發展趨勢

尚志堅

(西安市軌道交通集團有限公司運營分公司，710018，西安∥高級工程師)

城市軌道交通牽引供電系統總能耗主要包括牽引供電能耗和輔助供電能耗。其中輔助供電能耗占總能耗的30%～40%[1]。為助力我國早日實現“雙碳”目標，開展城市軌道交通車輛輔助供電系統輕量化設計和節能方案研究，對系統能耗優化具有重要意義。

然而，傳統輔助逆變器通常采用工頻隔離型單級功率變換方案，存在由工頻變壓器帶來的體積大、噪聲大、變壓器發熱嚴重和零序分量不可控等問題。這有悖于城市軌道交通輔助逆變器的高功率密度和高變換效率的發展趨勢。隨著功率半導體器件和磁性材料的技術發展，提高變流器工作頻率成為降低列車自重、體積和行駛能耗的有效方法。

1 傳統工頻隔離型輔助供電系統

城市軌道交通車輛輔助供電系統主要功能是將列車從接觸網獲得的DC 1 500 V電流轉變成列車所需的AC 380 V、DC 110 V及DC 24 V電流，如圖1所示。其中，AC 380 V負載主要包含空調機組以及照明系統等，DC 110 V負載主要包含蓄電池和儲能電池組等，DC 24 V負載主要包括控制設備和便攜設備等。

圖1 傳統工頻隔離型輔助供電系統示意圖

傳統方案普遍采用“工頻逆變+變壓”的技術，通過受流器從接觸網獲得直流電，經過直流濾波、工頻逆變、隔離變壓器降壓和交流濾波，最終輸出AC 380 V，同時通過降壓變壓器和整流器轉換為DC 110 V,以及通過降壓斬波電路轉換為DC 24 V。大功率下工頻隔離變壓器的質量和體積偏大，因此傳統輔助供電系統不利于列車的輕量化設計。

2 前級隔離DC-DC高頻化

隨著功率半導體器件技術的發展，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開關頻率越來越高，因此可以通過提高變壓器工作頻率來進行減重。高頻化的輔助供電系統從接觸網取電之后，經過直流濾波、高頻降壓斬波、工頻逆變和交流濾波后輸出AC 380 V，此外DC 110 V和24 V也由700 V的直流輸出變換而來，如圖2所示。由于傳統輔助供電系統中的2個工頻變壓器均被中高頻變壓器取代，大大提高了系統功率密度。

圖2 基于中高頻變壓器的輔助供電系統示意圖

2.1 高效率寬調壓范圍的直流變換器解決方案

LLC(電感-電感-電容)諧振變換器因其突出的軟開關性能得到了廣泛的研究。當其工作頻率在諧振頻率點附近時，所有開關管均可實現零電壓開關(ZVS)，且變壓器副邊整流二極管均可實現零電流開關(ZCS)，此時開關損耗最低。但考慮到列車實際運行工況，需通過調頻控制來應對寬范圍的輸入電壓，這需要在諧振回路中串入較大的諧振電感。這極大地增加了磁件損耗以及調壓過程中軟開關效果變差引起的器件損耗，不利于LLC變換器工作頻率的提升。因此，在LLC電路前級加入穩壓電路很有必要。傳統Boost電路具有調壓能力好的特點，將其作為前級，利用閉環控制輸出電壓恒定；后級級聯LLC諧振變換器并采用固定工作頻率控制，讓其工作在諧振頻率點附近，以達到最好的軟開關效果[2]。因此，應用像Boost+LLC這種將兩個變換器級聯的拓撲成為了解決寬范圍調壓和兼顧效率的趨勢，如圖3所示。除了Boost電路之外，還可以采用三電平Boost等拓撲用來降低器件應力和成本。

注：V表示電壓；I表示電流；L表示電感；C表示電容；D表示功率二極管；S表示功率開關管；T表示高頻變壓器；A和B分別表示第一臺和第二臺諧振變換器。

2.2 串入并出的拓撲結構

城市軌道交通車輛輔助供電系統輸入為DC 1 500 V，考慮裕量必須采用電壓等級為3 300 V的IGBT模塊,開關管工作頻率被限制在5 kHz以內。考慮到相同的電流流過開關管時，電壓等級3 300 V的開關管開通損耗是1 700 V開關管的10倍以上，關斷損耗接近5倍，導通損耗接近1.5倍。因此，當采用輸入串聯的結構時，應用電壓等級為1 700 V的IGBT模塊，工作頻率可達20 kHz。此外，采用輸出并聯結構可降低副邊整流二極管上的導通損耗。

為提高輔助供電系統的功率密度，必須提高變換器工作頻率。因此采用雙機串入并出的結構，可以選擇電壓等級低的開關器件來達到設計目標。

3 后級三相四線制逆變器

城市軌道交通車輛交流負載由輔助逆變器進行供電，包括三相AC 380 V和單相AC 220 V。由于三相三線制系統在接入不對稱負載時，無法繼續輸出三相對稱電壓[3]，因此需采用三相四線制結構來應對三相不平衡問題。

以傳統工頻隔離型輔助逆變器為例，由于輸出側存在三角型轉星型連接的降壓變壓器，可以有效抑制由負載不平衡帶來的3次及其倍數次諧波零序電流。顯然，這種方案正在逐漸被淘汰。分裂電容式逆變器通過將直流側電容中點和交流側濾波電容中點相連以提供不平衡電流。但這種方案存在由于不平衡電流從中性線流入分裂電容帶來的母線電容壽命降低的問題[4]。此外，這種方案還要求保證中性點電位為零。由于前級采用了Boost+LLC串入并出的拓撲，無法實現母線分裂電容中點電位平衡，因此采用三相四橋臂逆變器拓撲來解決三相不平衡問題具有一定的應用前景。

3.1 三相四橋臂逆變器

三相四橋臂逆變器通過在三相三橋臂逆變器的基礎上加入第四橋臂，并將三相濾波電容的中點與第四橋臂中點連接，利用該橋臂對零序電流進行控制，從而保證三相負載電壓的對稱輸出。這種方案省去了母線分裂電容，提升了輔助電源設備整體可靠性。四橋臂調制方法主要有兩種：三維空間矢量調制(3D-SVM)和三橋臂常規控制加第四橋臂單獨調制。

3.2 基于下垂控制的正負零序電流均分

輔助供電系統配置形式分為集中式和分布式。集中式供電指整個城市軌道交通車輛的供電由2個逆變器并聯共同完成，其中每臺逆變器容量在200 kVA到240 kVA之間。如果其中一臺逆變器出現故障，就需要將列車上的一些重要級別不高的用電設備切除。分布式供電指每列車有4臺輔助逆變器供電，其額定容量一般在100～120 kVA左右。因此，集中式盡管供電冗余較差，但因其結構簡單、重量輕和成本低的優勢而被廣泛應用[5]。

輔助供電裝置后級三相四橋臂逆變器并聯結構示意圖如圖4所示。其中，每臺逆變器容量為120 kVA，2臺為1組，最后由2組共同為整個列車供電。為實現不依賴通信的功率均分和自同步功能，采用基于下垂的并聯控制方法。正常情況下，每臺逆變器的功率指令相同，經過下垂功率環之后生成參考電壓，再經虛擬阻抗算法實現功率解耦，最后由電壓電流雙環實現控制。由于三相負載不對稱會引入零序和負序分量，研究自適應虛擬阻抗設計方法，對于精確地實現各序電流均分很有必要。

注：L表示電感；R表示負載；C表示電容；Vc1、Vc2表示電容電壓；IL1、IL2表示電感電流；V和ω表示參考電壓的幅值和相位；Vo1、Vo2表示參考電壓；表示經過虛擬阻抗之后的參考電壓;VSI表示電壓源逆變器。

4 輔助供電系統未來發展趨勢

盡管電力電子裝置因其控制靈活、設備功能豐富等優勢，在輔助供電系統中已經得到了廣泛的應用，但仍然存在諸如設備可靠性低，功率密度和效率受限等問題。

4.1 寬禁帶器件用以提升系統功率密度

碳化硅器件的出現有望革新下一代電力電子變換器。相較于傳統硅(Si)材料，碳化硅(SiC)材料在禁帶寬度、擊穿電壓、熱導率、熔點、電子飽和漂移速度等方面的特性均得到全面提升。這些特性使得SiC功率器件具有高擊穿電壓、高開關頻率、高結溫和低通態電阻等優勢，有利于提高輔助變流器的效率、功率密度、額定功率和可靠性。SiC器件低導通電阻和快速開關特性降低了器件開關損耗，加上SiC器件的高工作溫度，可以有效減小冷卻裝置尺寸。同時系統工作在高開關頻率下，減小了無源濾波元件的質量，因此采用SiC器件后輔助變流器的效率和功率密度將會得到提高。此外，高工作頻率將會使得輔助變流器具有更高的控制帶寬，更好的動態性能和更理想的輸出波形質量。

寬禁帶半導體器件對電氣化交通的進一步推進具有重要意義。在充分發揮SiC器件優勢的同時，應注意可能存在的電磁干擾、短路保護等問題。這是因為SiC器件結電容小，導通電阻小，以及在快速開關瞬態過程中的高dI/dt和dV/dt，會使得其開關過程比Si器件更容易受到電路寄生參數和電磁噪聲的影響。

4.2 基于母線電容壽命評估的主動運維方法

盡管大量地應用電力電子設備對輔助供電系統的輕量化設計有積極作用，但較高的復雜度會帶來裝置可靠性相關問題。其中直流母線電容被認為是最薄弱的環節，工程上通常采取多個鋁電解電容串并聯的方式，但隨著時間推移，其電解液將逐漸蒸發，導致電容特性退化。一般來說，典型電解電容工作在105 ℃的環境溫度下壽命一般不超過7年[6]。盡管近些年來，有研究提出采用薄膜電容進行替換，但存在電容容量小、價格高等實際問題。因此，未來的研究應側重于對電解電容進行可靠性評估，采用主動運維來替代傳統的定期運維，為工程問題的解決提供足夠的理論依據。

4.3 高頻磁性元件的材料選型與優化設計

隨著電力電子變壓器容量需求不斷提高，變壓器體積不斷增大，可通過提升工作頻率的方法減小高頻變壓器的體積。但工作頻率越高，可供散熱的表面積隨之減小，鐵心和繞組的高頻損耗也隨之迅速增加，導致電能傳輸效率低下。非晶材料由于兼備硅鋼片飽和磁通密度大和鐵氧體高頻損耗低的優點，被認為是今后發展大容量高頻變壓器的最佳選擇。此外，高頻磁性元件的優化設計也至關重要。例如，有研究提出將鐵心總損耗與高頻變壓器視在功率的比值定義為損耗因子，以最低損耗因子水平結合體積與成本因素作為鐵心材料選擇標準的方法[7]。

5 結語

為推動城市軌道交通車輛輔助供電系統的輕量化設計，本文提出了一種前級采用串入并出Boost級聯LLC諧振變換器，后級采用三相四橋臂逆變器多機下垂并聯的方案，在降低器件應力、提高效率和帶不平衡負載能力等方面均有一定提升。此外，本文還展望了輔助供電系統部件未來的發展趨勢，如寬禁帶半導體器件的應用、母線電解電容的壽命評估和磁性材料的選型，這對優化設計和研究思路具有一定參考意義。