懸掛式單軌列車輔助供電系統(tǒng)方案研究*

張茂帆, 劉　瑤, 王孔明, 楊美傳, 楊文銳

(1　中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031；2　西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031；3　南昌軌道交通有限責(zé)任公司, 江西南昌 330000)

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地鐵與輕軌

懸掛式單軌列車輔助供電系統(tǒng)方案研究*

張茂帆1, 劉瑤2, 王孔明1, 楊美傳2, 楊文銳3

(1中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031；2西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031；3南昌軌道交通有限責(zé)任公司, 江西南昌 330000)

針對(duì)懸掛式單軌車輛的特殊情況，從輔助供電系統(tǒng)的容量，供電方式兩方面對(duì)懸掛式單軌車輛的輔助系統(tǒng)進(jìn)行方案研究，并從輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、輸入供電、交流供電、直流供電、故障狀態(tài)供電等幾方面進(jìn)行描述。

懸掛式單軌列車；輔助供電系統(tǒng)；容量；輔助逆變器

懸掛式單軌起源于德國(guó)，隨后在日本得到廣闊的發(fā)展，但其在我國(guó)城軌交通中目前尚無(wú)應(yīng)用。懸掛式單軌具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)行噪聲低、不易脫軌、節(jié)省道路資源、造價(jià)低等特點(diǎn)，因此其具有較好的市場(chǎng)潛力。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的城市也對(duì)該系統(tǒng)表現(xiàn)出廣泛興趣，已有上海、合肥、濟(jì)南、洛陽(yáng)、溫州、天津等城市對(duì)懸掛式單軌交通進(jìn)行了前期研究或正進(jìn)行可行性論證。

車輛輔助供電系統(tǒng)是車輛正常運(yùn)行的重要組成部分，與車輛運(yùn)行的安全性和乘客乘坐的舒適度密切相關(guān)。輔助供電系統(tǒng)將電網(wǎng)輸入的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，為車載空調(diào)、通風(fēng)裝置、空氣壓縮機(jī)、輔助加熱裝置、照明系統(tǒng)提供工作電源；另一方面輔助供電系統(tǒng)將電網(wǎng)輸入的直流電轉(zhuǎn)化為車載各系統(tǒng)控制電路、車載信號(hào)與通信設(shè)備、緊急照明等工作所需要的直流電，并為蓄電池組充電。懸掛式單軌車輛作為新型城軌交通制式車輛，對(duì)其輔助供電系統(tǒng)進(jìn)行研究是十分必要和迫切的。

1　懸掛式單軌列車輔助供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

1.1懸掛式單軌列車概況

懸掛式單軌交通系統(tǒng)是一種車輛懸掛于軌道梁下方的城軌交通系統(tǒng)，如圖1所示。

與國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的地鐵車輛相比，懸掛式單軌列車車體結(jié)構(gòu)小，編組和載客量少，運(yùn)行速度低，站間距短。本論文依托的科研課題，研究提出了適用于我國(guó)的對(duì)稱式懸掛膠輪單軌交通列車，相關(guān)車輛技術(shù)參數(shù)如表1所示[2]。主要針對(duì)該型列車的輔助供電系統(tǒng)進(jìn)行研究。

圖1　懸掛式單軌交通系統(tǒng)

內(nèi)容參數(shù)車輛長(zhǎng)度/m11車輛寬度/m2.4車輛編組/輛3(Mc-M-Mc)車輛定員/(人·m-2),(人·輛-1)5,82車輛超員/(人·輛-1)115最高運(yùn)行速度/(km·h-1)70供電制式/VDC750平均站間距/m600～1000

懸掛式單軌列車少數(shù)用電設(shè)備安裝在車內(nèi)，絕大多數(shù)用電設(shè)備如主變流器、輔助變流器、變壓器、空調(diào)機(jī)組、通風(fēng)設(shè)備等均安裝在車頂。車頂主要用電設(shè)備平面布置示意圖如圖2所示[2]。

1.2懸掛式單軌列車輔助供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

列車輔助供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及到兩個(gè)方面：一是輔助供電系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)；二是系統(tǒng)供電方式的選擇。

由表1可知，單軌車輛在運(yùn)行速度、編組情況、車輛定員等方面相對(duì)于地鐵車輛都要小一些，所以在進(jìn)行容量設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)單軌的情況作出特殊計(jì)算。另一方面，由于單軌車輛是懸掛于高架之下的，它幾乎不用通過(guò)隧道，所以單軌車輛的車載設(shè)備的工作情況與地鐵車輛也有著很大的差別，這也將影響到系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)。

在選擇系統(tǒng)供電方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮車輛車頂空間的局限性。另一方面，由于懸掛式單軌車輛的導(dǎo)向輪采用的是膠輪，膠輪的承載能力相對(duì)于鋼軌要小一些，所以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)盡量減小系統(tǒng)的質(zhì)量。

在綜合考慮以上兩個(gè)方面的同時(shí)，輔助供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮供電系統(tǒng)的技術(shù)要求，結(jié)合目前輔助供電技術(shù)的發(fā)展方向，考慮系統(tǒng)的節(jié)能性和系統(tǒng)的制造成本。

2　系統(tǒng)供電方式的選擇

2.1交流供電方式

2.1.13種常用的交流供電方式概述

目前，在城軌列車上使用的輔助供電方式主要有3種：擴(kuò)展供電、交叉供電、并網(wǎng)供電。其結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖3～圖5所示。在早期，地鐵車輛一直使用的是擴(kuò)展供電方式和交叉供電方式，直到近年來(lái)才逐步開始使用并網(wǎng)供電方式。

圖2　列車車頂用電設(shè)備平面布置

圖3　擴(kuò)展供電模式

圖4　交叉供電模式

圖5　并網(wǎng)供電模式

2.1.23種供電方式的分析比較

3種供電模式的分析比較如表2所示。

通過(guò)分析比較，可以看出：并網(wǎng)供電模式在可靠性、改善乘客乘坐舒適度、布線方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。雖然其在控制上相對(duì)比較復(fù)雜，但隨著技術(shù)的發(fā)生，這已經(jīng)得到了很好的解決。且并網(wǎng)供電模式是一種自動(dòng)化程度比較高的供電模式，是目前比較成熟及先進(jìn)的技術(shù)，也是未來(lái)供電模式的發(fā)展方向。通過(guò)比較分析，懸掛式單軌車最終采用并網(wǎng)的供電模式。

表2　3種供電模式對(duì)比表

2.2直流供電模式

本列車的直流負(fù)載都采用DC 110 V的供電模式，充電機(jī)出來(lái)有兩條直流供電列車線，一條給電子負(fù)載供電，一條給正常負(fù)載供電。同時(shí)充電機(jī)還給蓄電池進(jìn)行充電。在正常情況下，蓄電池處于浮充電的狀態(tài)，只有當(dāng)兩臺(tái)充電機(jī)都不能工作時(shí)，蓄電池才給緊急負(fù)載供電。緊急負(fù)載包括緊急通風(fēng)，緊急照明，以及與列車安全相關(guān)的列車控制與無(wú)線通訊系統(tǒng)。具體的直流負(fù)載配電圖如圖6所示。

3　輔助供電系統(tǒng)容量計(jì)算

3.1交流負(fù)載容量計(jì)算

列車的三相交流負(fù)載主要有：空調(diào)系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)、牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、制動(dòng)電阻冷卻風(fēng)機(jī)。其工作電壓為三相380 V，50 Hz。單向交流負(fù)載：照明系統(tǒng)、側(cè)墻電加熱(冬季)。其工作電壓為單相110 V，50 Hz。其交流負(fù)載估算結(jié)果如圖3所示。

3.2直流負(fù)載容量的計(jì)算

單軌車輛的直流負(fù)載有ATC、廣播系統(tǒng)、無(wú)線電和電子控制單元，輔助設(shè)備、乘客信息系統(tǒng)、列車控制電路和除霜器，緊急照明、緊急通風(fēng)等。經(jīng)查閱資料和計(jì)算，單軌車輛的直流負(fù)載大約為12 kW。

蓄電池的容量計(jì)算：蓄電池的容量必須保證列車在30 min內(nèi)保持以下應(yīng)急負(fù)載供電：全部的緊急照明，全部頭燈和尾燈，與安全相關(guān)的控制系統(tǒng)，通信設(shè)備，客室緊急通風(fēng)，所有客室側(cè)門開關(guān)一次。緊急負(fù)載大約為10 kW。蓄電池的容量c=p/v×0.75，實(shí)際容量ce=c/k1×k2×k3，其中k1為溫度補(bǔ)償系數(shù)，取0.85；k2為充電效率系數(shù)，取0.8；k3為老化系數(shù)，取0.8。經(jīng)計(jì)算蓄電池的實(shí)際容量為84 A·h。

圖6　直流負(fù)載配電圖

項(xiàng)目功率/kWMCMMC數(shù)量總功率/kW數(shù)量總功率/kW數(shù)量總功率/kW空調(diào)機(jī)組11222211222客室通風(fēng)1221212空氣壓縮機(jī)7.517.5--17.5牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)1221222牽引變流器冷卻風(fēng)機(jī)1111111制動(dòng)電阻冷卻風(fēng)機(jī)1111111側(cè)墻加熱9218218218照明系統(tǒng)0.05120.6120.6120.6總計(jì)101

3.3輔助逆變系統(tǒng)容量計(jì)算

考慮單軌列車車頂?shù)目臻g有限，在3輛編組的情況下，確保整列車輔助供電系統(tǒng)的冗余性，整列車采用兩個(gè)輔助逆變器并網(wǎng)工作的方案。當(dāng)一個(gè)逆變器發(fā)生故障時(shí)，為了保證列車的繼續(xù)運(yùn)行，需保證表4中所示的交流設(shè)備正常工作，直流設(shè)備正常工作。由以上計(jì)算可知：每列車的交流負(fù)載總功率101 kW，取平均功率因數(shù)為0.8，則交流負(fù)載視在功率為126 kW，直流負(fù)載為14 kW，整列車負(fù)載總功率為150 kW。當(dāng)一個(gè)逆變器故障時(shí)，整列車減載后所剩交流負(fù)載功率為57.3 kW，取平均功率因數(shù)為0.8，則剩余交流負(fù)載視在功率為71.6 kW，直流負(fù)載為14 kW，整列車剩余負(fù)載總功率為85.6 kW。綜合考慮正常情況下列車負(fù)載總功率和減載后列車負(fù)載總功率，單個(gè)逆變器的容量為86 kVA；整列車采用兩個(gè)充電機(jī)，單個(gè)充電機(jī)的容量為14 kVA；整列車采用兩組蓄電池，每組蓄電池的容量為84 A·h。

表4　減載后列車交流負(fù)載功率估算

4　懸掛式單軌列車輔助供電系統(tǒng)方案

4.1輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本列車具體的輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。輔助供電系統(tǒng)包括輔助逆變器、充電機(jī)、蓄電池、相關(guān)的電器設(shè)備和隔離開關(guān)、接觸器、熔斷器等。

4.2輸入供電

正常情況下，兩臺(tái)輔助逆變器通過(guò)兩個(gè)集電靴從第3軌獲得750 V的直流電。全車設(shè)置一條750 V的直流母線，以保證單個(gè)集電靴脫軌時(shí)，可以不間斷的供給逆變器直流電壓。安裝在MC車上的高壓箱內(nèi)設(shè)置有三位的選擇開關(guān)，當(dāng)開關(guān)在集電靴位置時(shí)，逆變器從第三軌獲得直流電壓。當(dāng)開關(guān)在庫(kù)用位時(shí)，逆變器通過(guò)高壓箱里的庫(kù)用插座獲得直流電壓，以便于車輛的維修和調(diào)試。

輔助電源的直流輸入電路應(yīng)設(shè)置熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)，同時(shí)輔助高壓母線也應(yīng)設(shè)置母線熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)。

圖7　輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3交流供電

4.3.1交流供電概述

交流供電方案如圖7所示。在兩端頭車車頂上安裝有兩臺(tái)容量為86 kVA的輔助逆變器，整個(gè)系統(tǒng)的總輸出容量為172 kVA。逆變器的具體參數(shù)如表5所示。整列車設(shè)置一條交流母線，兩臺(tái)逆變器并網(wǎng)接入交流母線中。逆變器將獲得的電能轉(zhuǎn)變?yōu)?0 Hz，380 V的三相交流電。列車的所有交流負(fù)載從三相母線上取電，通過(guò)控制負(fù)載與母線間的接觸器開關(guān)，就可以控制負(fù)載的接入與斷開。三相交流母線采用三相四線制，取其中任意一項(xiàng)與中線之間的電壓為單向220 V，為車上的照明，側(cè)墻加熱器提供工作電源。為了使每相電輸出功率平衡，單向負(fù)載應(yīng)盡量均分到每一相上。

表5　輔助逆變器參數(shù)

4.3.2輔助逆變器技術(shù)要求

(1)輸入電壓范圍：對(duì)于網(wǎng)壓為DC 750 V的系統(tǒng)，要求在網(wǎng)壓500～900 V范圍內(nèi)能以額定功率輸出。

(2)負(fù)載特性：SIV的負(fù)載很大部分是感性負(fù)載，而且是直接起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)沖擊電流大，啟動(dòng)沖擊電流消失后，要求在限定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)輸出電壓到額定值；當(dāng)逆變器發(fā)生±30%額定負(fù)載的負(fù)荷變化時(shí)，其輸出電壓的瞬間變化范圍將不超過(guò)+15%和-20%，并應(yīng)在500 ms內(nèi)恢復(fù)其額定值；當(dāng)逆變器已經(jīng)帶有部份負(fù)載的情況下，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)等泵類負(fù)載，這時(shí)輸出電壓允許下降20%，但在500 ms內(nèi)輸出電壓恢復(fù)到額定值。

(3)過(guò)載能力：采用國(guó)標(biāo)GB 12668《交流電機(jī)半導(dǎo)體變頻調(diào)整裝置總技術(shù)條件》中規(guī)定如下：在額定輸出電流下連續(xù)工作時(shí)，允許施加非周期性過(guò)載，對(duì)額定容量小于或等于100 kVA的裝置，過(guò)載能力為150%，1 min；

4.3.3交流負(fù)載的啟動(dòng)

由于三相交流負(fù)載一般都是感性負(fù)載，直接啟動(dòng)會(huì)有很大的啟動(dòng)電流，對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊。所以負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)使負(fù)載順序啟動(dòng)。列車控制系統(tǒng)將通過(guò)列車總線傳輸一個(gè)2 s寬度的空調(diào)允許啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)作為空調(diào)系統(tǒng)的允許啟動(dòng)命令，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)接收到自己的啟動(dòng)代碼時(shí)，它將在此時(shí)啟動(dòng)，每臺(tái)空調(diào)單元之間的啟動(dòng)時(shí)間間隔為2 s。當(dāng)列車控制系統(tǒng)檢測(cè)到有空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)命令請(qǐng)求時(shí)，列車控制系統(tǒng)將2 s時(shí)間間隔寬度改為7 s用來(lái)啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)。

4.4直流供電

直流供電方案如圖6所示。在兩端車上分別布置一臺(tái)充電機(jī)和一組蓄電池組，單臺(tái)充電機(jī)的容量為14 kVA，單組蓄電池的容量為84 A·h，其具有參數(shù)如表6所示。全車設(shè)置兩條正直流母線，一條負(fù)直流母線，兩臺(tái)充電機(jī)并網(wǎng)接入母線上，一條直流母線上接電子負(fù)載提，另一條接正常負(fù)載，其具體負(fù)載分配圖如圖3～圖4所示。負(fù)母線和車體接地點(diǎn)連接。充電機(jī)將從逆變器獲得的三相交流電轉(zhuǎn)化為110 V直流電，一部分為直流負(fù)載提供工作電源，一部分為蓄電池充電。在充電機(jī)、蓄電池輸出端的母線上設(shè)置隔離二極管，以保證本端充電機(jī)僅給本單元蓄電池組充電。正常情況下，蓄電池處于浮充電狀態(tài)，當(dāng)兩臺(tái)輔助逆變器都故障時(shí)，蓄電池才給緊急負(fù)載供電。

表6　充電機(jī)主要參數(shù)表

4.5系統(tǒng)故障狀態(tài)供電

當(dāng)一臺(tái)輔助逆變器發(fā)生故障時(shí)，故障的輔助逆變器通過(guò)車輛總線將故障信息傳給車輛控制系統(tǒng)，車輛控制系統(tǒng)發(fā)出空調(diào)減載的指令，并將故障的逆變器從供電網(wǎng)線中隔離。每節(jié)車保證一臺(tái)空調(diào)機(jī)組工作，一臺(tái)通風(fēng)機(jī)工作，保證一臺(tái)空氣壓縮機(jī)正常工作，如果在冬季，保證一半的側(cè)墻加熱運(yùn)行。整列車進(jìn)行減載過(guò)后，全車最大負(fù)載功率為85 kW，單臺(tái)輔助逆變器的容量為86 kVA，可以保證列車?yán)^續(xù)運(yùn)行。列車控制系統(tǒng)可以根據(jù)列車運(yùn)行情況，可以適當(dāng)增加空調(diào)或通風(fēng)機(jī)的工作數(shù)量，從而提升乘客乘坐的舒適性。由于全車直流負(fù)載的最大功率為12 kW，小于單臺(tái)充電機(jī)的輸出功率，所以直流負(fù)載不用減載。

當(dāng)兩臺(tái)輔助逆變器發(fā)生故障時(shí)，輔助逆變系統(tǒng)已經(jīng)不能正常工作，全車進(jìn)入緊急供電模式。由蓄電池為列車緊急負(fù)載供電，緊急負(fù)載包括：緊急通風(fēng)、緊急照明、制動(dòng)控制系統(tǒng)、列車通信系統(tǒng)等于列車運(yùn)行安全相關(guān)的所有負(fù)載。全車配置有兩組容量為84 A·h的蓄電池組，可以為列車提供至少30 min的緊急供電。

4.6系統(tǒng)的正常啟動(dòng)關(guān)閉

輔助變流系統(tǒng)的啟動(dòng)由列車控制單元控制。首先由蓄電池給車輛控制系統(tǒng)供電，控制系統(tǒng)激活。控制系統(tǒng)先控制一臺(tái)逆變器連接到三相交流母線上，而此時(shí)另外一臺(tái)逆變器斷開，這臺(tái)逆變器連接到交流母線上后進(jìn)行軟啟動(dòng)。當(dāng)該輔助逆變器對(duì)三相交流母線進(jìn)行供電以后，另外一臺(tái)逆變器開始軟啟動(dòng)，此時(shí)這臺(tái)逆變器沒有接入到交流母線上。將另外一臺(tái)逆變器輸出波形的電壓，頻率和相位對(duì)交流母線進(jìn)行同步，再閉合三相隔離開關(guān)，接入交流母線。當(dāng)交流母線開始供電，各蓄電池充電機(jī)按程序設(shè)置好的順序依次接入三相交流母線開始工作。

輔助變流系統(tǒng)的停止同樣由列車控制單元控制。當(dāng)系統(tǒng)接到列車控制單元發(fā)出的停機(jī)命令以后，先依次斷開三相接觸器，關(guān)閉蓄電池充電機(jī)，然后再斷開三相隔離接觸器，關(guān)閉輔逆變器。

4.7系統(tǒng)的應(yīng)急啟動(dòng)

當(dāng)蓄電池電壓低于90 V時(shí)，依靠蓄電池已經(jīng)不能正常激活列車，必須利用低電平啟動(dòng)單元實(shí)施應(yīng)急啟動(dòng)。低電平啟動(dòng)單元自動(dòng)檢測(cè)蓄電池的電壓，當(dāng)電壓小于90 V時(shí)，低電平啟動(dòng)單元自動(dòng)啟動(dòng)。應(yīng)急啟動(dòng)前，利用腳泵將集電靴伸出，低電平啟動(dòng)單元將第三軌上直流電壓直接變換為110 V的直流電，并接到110 V的直流母線上，從而給輔助逆變器內(nèi)部的控制電路供電，并啟動(dòng)蓄電池充電器。啟動(dòng)時(shí)，小功率部分先建立起內(nèi)部電源給內(nèi)部控制和驅(qū)動(dòng)電路供電，當(dāng)這部分電源建立起來(lái)后，大功率部分將能源從第3軌直流線上轉(zhuǎn)換到110 V直流線上輸出。當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓大于90 V時(shí)，低電平啟動(dòng)單元停止工作。

5　結(jié)論

針對(duì)適用于我國(guó)的懸掛式單軌列車，從系統(tǒng)供電容量、供電方式兩方面對(duì)其輔助供電系統(tǒng)進(jìn)行了方案研究。確定了其輔助供電系統(tǒng)采用集中并網(wǎng)的供電模式，從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、輸入供電、交流供電、直流供電、故障狀態(tài)供電幾方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析。今后結(jié)合具體工程應(yīng)用，進(jìn)一步深入研究該系統(tǒng)。

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Research on Auxiliary Power Supply System for Suspended Monorail Train

ZHANGMaofan1，LIUYao2，WANGKongming1，YANGMeichuan2，YANGWenrui3

(1China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031 Sichuan, China;2School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China;3Nanchang Rail Transit Co., Ltd., Nanchang 330000 Jiangxi, China)

Aiming at the special case of suspended monorail train, this paper makes research about the auxiliary power supply system from two aspects of system capacity and power supply mode, and introduces the auxiliary power system's structure, input power supply, AC power supply, DC power supply, power supply of fault state and so on.

suspended monorail train; auxiliary power supply system; system capacity; auxiliary inverter

1008-7842 (2016) 02-0095-06

??)男，高級(jí)工程師(

2015-10-09)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.24

*中國(guó)中鐵股份科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014-重點(diǎn)-41)