城軌車輛輔助供電系統(tǒng)交叉并網(wǎng)供電模式的探討

張帝

摘 要：城軌車輛的運行，需借助電力資系統(tǒng)而實現(xiàn)。建立車輛輔助供電系統(tǒng)交叉并網(wǎng)供電模式，有助于提高供電的連續(xù)性及穩(wěn)定性?；诖耍疚暮喴榻B了城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的類型，并對系統(tǒng)的負載及供電需求進行了分析。重點從并網(wǎng)模式的設(shè)備配置、控制方式、參數(shù)設(shè)計、整流器與逆變器的控制四方面，對該模式的實現(xiàn)方案進行了總結(jié)，僅供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；輔助供電系統(tǒng)；交叉并網(wǎng)供電模式

中圖分類號：U231.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0051-02

隨著城市軌道交通客流量的不斷加大，交通領(lǐng)域?qū)囕v可靠性的要求逐漸提升。電力能源，是城市軌道車輛運行所需的主要能源。根據(jù)供電系統(tǒng)及供電模式的不同，電力能源的供應(yīng)效果同樣不同。實踐發(fā)現(xiàn)，將輔助電路AC 380V以及DC 110V，應(yīng)用到城軌車輛輔助供電交叉并網(wǎng)供電模式中，可有效提高供電的穩(wěn)定性。因此，有必要對上述模式的實現(xiàn)方式加以研究。

1 城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的供電模式

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的供電模式，包括交叉供電、擴展供電，以及并網(wǎng)供電三種[1]。不同模式的特點及實現(xiàn)方式如下：（1）交叉供電：該供電模式下，車輛中，每個輔助變流器，均需單獨對某一負載進行供電。此時，如變流器出現(xiàn)故障，負載的功能將無法實現(xiàn)，車輛運行的穩(wěn)定性，同樣會有所下降。（2）擴展供電：該供電模式下，車輛每個輔助變流器，均需對相應(yīng)單元的中壓負載進行供電。采用上述方式供電，如變流器出現(xiàn)故障，隔離故障逆變器，會立即將供電接觸器進行擴展。進而確保故障范圍內(nèi)的負載，能夠繼續(xù)穩(wěn)定的運行。（3）并網(wǎng)供電：該供電模式下，城軌車輛中，輔助變流器均需由母線供電。當(dāng)變流器出現(xiàn)故障后，將其自供電系統(tǒng)中斷開，負載則仍能夠穩(wěn)定的運行。通過對三種供電模式的對比及分析發(fā)現(xiàn)，將交叉并網(wǎng)供電模式，應(yīng)用到城軌車輛的輔助供電系統(tǒng)中，將能夠更大程度的滿足車輛的運行需求。

2 城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的負載與供電需求

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)，對負載容量、電源容量，以及負載類別的需求如下：

2.1 負載容量需求

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)對負載容量的需求，與其電機容量需求存在一定的聯(lián)系[2]。在系統(tǒng)無故障的前提下，電機容量的計算公式如下：

P=P1×Q×K/（102×3600×9.8）/φ/φ

上述公式中，P代表電機的容量，P1代表全壓（通常為2000Pa），φ代表全壓效率（通常為0.7），K代表容量系數(shù)（可取值為1.2），Q代表風(fēng)量。車輛運行過程中，如逆變器同時運行，電機的供電，將產(chǎn)生一定的損耗。計算系統(tǒng)的負載需求時，應(yīng)充分考慮到上述問題。本課題所選的車輛，空壓機排氣量，為1.5m3/min，壓縮指數(shù)為1.4，排氣量轉(zhuǎn)換，為1.667kPa/s。結(jié)合上述參數(shù)及公式，既可計算出輔助供電系統(tǒng)的負載容量需求。

2.2 電源容量計算

本課題所選車輛為火車，負載供電電壓，以三相電壓為主。車輛的負載類型較多，電機、逆變器、油泵、通風(fēng)機等，均屬于重要負載。以主逆變器為例，該元件的功率為8kW，負載系數(shù)為1。通過對該元件有功功率的觀察發(fā)現(xiàn)，根據(jù)季節(jié)的不同，元件的功率參數(shù)無顯著差異，功率因數(shù)均為9.4。但如考慮到所有元件的負載及容量，冬季與夏季，輔助供電系統(tǒng)的電源容量需求，則有所差異。假設(shè)逆變器的效率，為0.96。則系統(tǒng)冬季的電源需求，為80.6kVA，夏季，系統(tǒng)的電源需求，為82.7kVA。按照上述需求，確定車輛輔助供電系統(tǒng)的負載既可。

2.3 負載類別設(shè)置

不同車輛的安全等級不同，因此，車輛的負載，同樣應(yīng)有所不同。一般情況下，如DC 110V、蓄電池的供電不允許停電，則可將車輛的負載，劃分為“控制系統(tǒng)”、“故障系統(tǒng)”兩種。如在同樣的條件下，供電允許暫停。則可將車輛的負載，分為“照明燈具”、“游客信息系統(tǒng)”等部分。部分乘客出行，常攜帶小功率的電器（如：手機、平板電腦）。此時，供電系統(tǒng)應(yīng)與AC 220V/50Hz為主，以滿足乘客的需求。輔助供電系統(tǒng)交叉并網(wǎng)供電模式設(shè)計過程中，應(yīng)借助上述分類設(shè)置模式，對負載進行分類，以針對性的滿足不同負載的不同需求。

3 城軌車輛輔助供電系統(tǒng)交叉并網(wǎng)供電模式的實現(xiàn)

為提高城軌車輛供電系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，有關(guān)領(lǐng)域應(yīng)采取以下措施，使交叉并網(wǎng)供電模式得以實現(xiàn)：

3.1 交叉并網(wǎng)供電模式設(shè)備配置

為滿足交叉并網(wǎng)模式下，車輛各負載的運行需求。本課題將該模式下的設(shè)備，分為了負載、輔助變流器、高壓電氣箱三種。

本系統(tǒng)所設(shè)計的供電模式設(shè)備配置方式下，共包括負載4個、輔助變流器4個，高壓電氣箱1個[3]。其中，2個負載，需直接與4個輔助變流器相互連接。而另外2個負載，則需與中壓母線接觸器相互連接。經(jīng)中壓母線，實現(xiàn)與輔助變流器的連接。輔助變流器，需經(jīng)輔助母線，與各個負載相互連接。上述設(shè)備配置方案，充分整合了交叉供電模式，與并網(wǎng)供電模式。使得兩者的優(yōu)勢，得到了共同的體現(xiàn)。當(dāng)輔助變流器出現(xiàn)故障后，中壓母線接觸器，可代替其發(fā)揮作用，確保負載仍能夠得到供電，確保其能夠穩(wěn)定、安全的運行。

3.2 交叉并網(wǎng)供電模式控制方式

3.2.1 正常運行時的控制方式

當(dāng)車輛輔助供電系統(tǒng)無故障，且能夠正常運行時，輔助變流器對負載的控制方式如下：（1）將車輛激活，啟動網(wǎng)絡(luò)，對變流器進行檢測。如發(fā)現(xiàn)某變流器的網(wǎng)壓信號，在DC 900V一上。則表明該變流器，處于待運行狀態(tài)。此時，將中壓母線接觸器閉合既可。（2）當(dāng)車輛激活后，輔助供電系統(tǒng)，需在收到“輔逆正?！钡男盘柡?，方可啟動網(wǎng)絡(luò)。反之，輔助變流器則無法啟動。（3）當(dāng)TCMS收到系統(tǒng)所提供的反饋信號后，可立即停止運行[4]。此時，其余變流器，則可相互溝通，形成一個網(wǎng)絡(luò)，確保供電的過程能夠連續(xù)進行。需注意的是，當(dāng)閉合指令發(fā)出后，繼電器的線圈，會隨之作出動作。進而作用于開關(guān)，使其開啟或閉合。因此，為確保輔助變流器能夠?qū)ω撦d進行控制，確保開關(guān)性能無異常是關(guān)鍵。

3.2.2 故障運行時的控制方式

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)使用過程中，常見的故障類型較多。其中，通訊故障、網(wǎng)絡(luò)故障、短路，均為較為嚴(yán)重的故障。以通信故障為例，當(dāng)該故障發(fā)生后，輔助變流器的運行，必然會受到阻礙。此時，為確保供電能夠連續(xù)進行。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)默認輔助變流器損失。在此基礎(chǔ)上，將其負載減少。以確保負載能夠被分配給其余輔助變流器，使負載能夠正常運行。再如網(wǎng)絡(luò)故障，車輛網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生后，運行將無法進行。此時，需通過緊急牽引的方式，作好故障準(zhǔn)備。緊急牽引期間，車輛會經(jīng)中壓母線，將信號傳遞給接觸器箱。進而使輔助變流器，能夠被隔離在供電系統(tǒng)之外，使其能夠在隔離狀態(tài)下運行。

3.3 供電系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計

為確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，確保電壓能夠連續(xù)供應(yīng)，保證整流裝置能夠靈活使用是關(guān)鍵。當(dāng)網(wǎng)壓為25kV時，將額定電壓，設(shè)置為AC 400V較為適宜。當(dāng)網(wǎng)壓為19kV-29kV時，將額定電壓，設(shè)置為AC 304V-AC 464V較為適宜。上述設(shè)置方式，能夠有效滿足城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的運行，對電力資源的需求。整流裝置，為城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的重要組成部分，該裝置的輸出功率，一般為逆變器以及負載的容量之和?？紤]到供電系統(tǒng)的供電容量，受季節(jié)的影響較大。因此，參數(shù)計算過程中，應(yīng)計算出不同季節(jié)負載，以及繞組的容量，方可得出供電系統(tǒng)整流裝置的最終容量。

3.4 系統(tǒng)整流器及逆變器

3.4.1 整流器控制方案

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)中應(yīng)用的整流器，以PWM整流器為主。為確保整流器能夠穩(wěn)定運行，對其電壓、PWM波以及電流進行控制是關(guān)鍵。以電流的控制為例，電流控制的關(guān)鍵，在于對相位以及幅值進行控制。對此，有關(guān)人員可將PWM整流器的輸出電壓，及其標(biāo)準(zhǔn)電壓進行對比。如兩者之間存在差值，則需將差值，輸入至PI調(diào)節(jié)器當(dāng)中。并根據(jù)PI調(diào)節(jié)器所顯示的正弦波以及余弦波信號，對電流進行優(yōu)化控制，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3.4.2 逆變器控制方案

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)中，逆變器所使用的PWM技術(shù)，與整流器技術(shù)恰恰相反。對于逆變器而言，其元件的開通與關(guān)閉，均需在交流電的控制下實現(xiàn)。為避免諧波的存在，對逆變器的性能造成影響。建議采用濾波器，將諧波去除，以增強逆變器的性能。電壓反饋控制，為逆變器控制的主要方法之一。對此，有關(guān)人員可將反饋電壓，與正弦調(diào)制信號進行對比。進而對電壓波形進行控制，提高系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

3.5 系統(tǒng)設(shè)計效果

為判斷上述設(shè)計方式，是否能夠達到提高城軌車輛輔助供電系統(tǒng)供電穩(wěn)定性的目的。本課題采用仿真實驗的方式，對系統(tǒng)的運行情況進行了觀察。本文所用仿真軟件，以multisim軟件為主。通過對仿真結(jié)果的觀察發(fā)現(xiàn)，將交叉并網(wǎng)供電模式，應(yīng)用到城軌車輛輔助供電系統(tǒng)中后，系統(tǒng)供電的連續(xù)性明顯提升。當(dāng)某輔助變流器出現(xiàn)故障后，負載仍可繼續(xù)運行。表明，交叉并網(wǎng)供電模式的應(yīng)用，在提高城軌車輛輔助供電系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，取得了良好的效果。

4 結(jié)語

綜上所述，對城市軌道車輛輔助供電系統(tǒng)交叉并網(wǎng)供電模式的研究，能夠為我國交通行業(yè)的發(fā)展，提供技術(shù)參考指標(biāo)。進而使車輛的供電系統(tǒng)得以完善，使其供電穩(wěn)定性得以增強。對此，我國交通領(lǐng)域，應(yīng)視自身的需求，選擇輔助系統(tǒng)類型。在此基礎(chǔ)上，從“正常”與“故障”兩方面入手，建立供電模式控制方式。并積極優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，合理選擇整流器及逆變器，提高城軌車輛供電水平。

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