混合動(dòng)力動(dòng)車組牽引及輔助變流器系統(tǒng)分析*

吳新紅

(中國(guó)鐵路總公司安全監(jiān)督管理局，100844//高級(jí)工程師)

0 引言

目前，我國(guó)高速鐵路已取得了巨大的進(jìn)步，但仍存在一些問題。截至2012年底，我國(guó)電氣化鐵路占全國(guó)鐵路線路的53%；根據(jù)《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，預(yù)計(jì)到2020年，電氣化鐵路將占全國(guó)鐵路線路的70%，非電氣化鐵路仍將長(zhǎng)期占有很大比例。純接觸網(wǎng)供電的動(dòng)車組嚴(yán)重依賴接觸網(wǎng)，在非接觸網(wǎng)的線路上不能行駛。另外，由于傳統(tǒng)動(dòng)車組供電形式的單一性，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障或由于接觸器、變壓器等元件故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致列車因無法受流而癱瘓，影響動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)的可靠性。隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)未來的軌道交通技術(shù)也提出了越來越高的要求，為了滿足安全、高效以及節(jié)能環(huán)保等的需求，車輛裝備制造企業(yè)不斷加快對(duì)新型軌道交通車輛的研制[2-3]。混合動(dòng)力動(dòng)車組是為了彌補(bǔ)目前鐵路運(yùn)輸能力不足，滿足市域中短距離運(yùn)輸需要而提出來的一種新型動(dòng)車組[4]，對(duì)我國(guó)譜系化動(dòng)車組技術(shù)具有重要的意義。經(jīng)過“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“混合動(dòng)力動(dòng)車組關(guān)鍵技術(shù)研究及典型樣車研制”，中車長(zhǎng)春客車股份有限公司、北京交通大學(xué)等單位合作，已成功研發(fā)出我國(guó)首列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混合動(dòng)力動(dòng)車組[5]，按動(dòng)力源的不同分為兩種型號(hào)，分別為電電混合動(dòng)力動(dòng)車組(EEMU)和油電混合動(dòng)力動(dòng)車組(DEMU)[6]，目前均已完成了整車的型式試驗(yàn)，正在進(jìn)行30萬km運(yùn)營(yíng)考核。

本文主要介紹我國(guó)首列混合動(dòng)力動(dòng)車組的牽引及輔助變流器系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制功能，以及網(wǎng)絡(luò)控制和故障診斷等方面進(jìn)行論述。

1 系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)的動(dòng)車組一般僅由接觸網(wǎng)供電，在無接觸網(wǎng)線路或接觸網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致列車不能運(yùn)行。與傳統(tǒng)動(dòng)車組的供電方式不同，混合動(dòng)力動(dòng)車組采用了多動(dòng)力源接入的方式，大大提高了列車的可靠性與適應(yīng)性，在無接觸網(wǎng)線路或接觸網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí),列車均能正常運(yùn)行。

混合動(dòng)力動(dòng)車組EEMU和DEMU均是兩動(dòng)一拖的3節(jié)編組結(jié)構(gòu)，整車有2臺(tái)牽引變流器(TCU)和2臺(tái)輔助變流器(ACU)。其中,輔助變流器為雙輔結(jié)構(gòu)，2臺(tái)輔助變流器分別通過牽引變流器的直流母線獲取直流電壓。EEMU的每個(gè)牽引變流器上掛載了2個(gè)動(dòng)力電池組，其電池組容量為240 Ah，輸出額定電壓為1 056 V；而DEMU則掛載了1個(gè)動(dòng)力電池組和1個(gè)柴油動(dòng)力包，其中,動(dòng)力電池組容量為60 Ah，輸出額定電壓為1 056 V;柴油動(dòng)力包額定功率為330 kW。以DEMU為例，其變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，EEMU除了不掛載柴油動(dòng)力包并且多了1組DC/DC變換器以及1組動(dòng)力電池外，其他的與DEMU基本類似。

圖1 DEMU變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

DEMU共有3個(gè)動(dòng)力源，分別為接觸網(wǎng)、動(dòng)力電池和柴油動(dòng)力包；對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式有4種，分別為接觸網(wǎng)運(yùn)行模式、純電池運(yùn)行模式、純動(dòng)力包運(yùn)行模式和電池-動(dòng)力包混合模式。而EEMU有2個(gè)動(dòng)力源，分別為接觸網(wǎng)和動(dòng)力電池；運(yùn)行模式則有2種，除了沒有純動(dòng)力包模式和電池-動(dòng)力包混合模式外，與DEMU基本類似。

混合動(dòng)力動(dòng)車組的牽引及輔助變流器，采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、安裝、維修維護(hù)的最優(yōu)化；同時(shí)，充分考慮系統(tǒng)的電磁兼容、布局布線等方面因素，實(shí)現(xiàn)了總體的模塊化和優(yōu)化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)完全適用于混合動(dòng)力動(dòng)車組使用，目前已通過了變流器型式試驗(yàn)考核，并已成功裝車應(yīng)用。

2 牽引變流器系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)描述

牽引變流器主要可以分為四象限整流器、牽引逆變器以及雙向DC/DC變換器。

DEMU的四象限整流器(見圖2)由2個(gè)單相四象限整流器并聯(lián)而成，在接觸網(wǎng)模式下，DEMU和EEMU工作一樣，由接觸網(wǎng)輸入AC 25 kV，經(jīng)過車載變壓器變換為AC 900 V后接入，其額定功率可達(dá)920 kW；在非接觸網(wǎng)模式下，EEMU只有純電池工作模式，此時(shí)四象限整流器不工作；DEMU在單動(dòng)力包模式或電池-動(dòng)力包模式時(shí)，柴油動(dòng)力包的三相交流電通過四象限整流器3個(gè)H橋上IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的反并聯(lián)二極管進(jìn)行不控整流給直流母線供電。

圖2 接觸網(wǎng)和柴油動(dòng)力包接入電路原理圖

每臺(tái)牽引變流器均有1個(gè)牽引逆變器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式為1拖4的形式，即1臺(tái)牽引逆變器帶4臺(tái)電機(jī)，其中每臺(tái)牽引電機(jī)的額定功率為160 kW。雙向DC/DC變換器直接掛載在直流母線上，是動(dòng)力電池與直流母線的接口裝置。其中EEMU上掛載了2組動(dòng)力電池組，對(duì)應(yīng)也有2個(gè)雙向DC/DC變換器，2個(gè)變換器并聯(lián)運(yùn)行；而DEMU則只掛載了1組動(dòng)力電池，并且對(duì)應(yīng)有1個(gè)雙向DC/DC變換器。四象限整流器和雙向DC/DC變流器均能提供直流母線電壓供牽引逆變使用。

2.2 系統(tǒng)控制功能

2.2.1 整流器系統(tǒng)

在接觸網(wǎng)模式下時(shí)，四象限整流器工作，并穩(wěn)定直流母線電壓，當(dāng)列車處于牽引工況、動(dòng)力電池處于充電狀態(tài)時(shí)，四象限整流器為牽引電機(jī)和動(dòng)力電池組供電；當(dāng)列車處于制動(dòng)工況時(shí)，牽引電機(jī)將制動(dòng)能量回饋到直流側(cè)，而四象限整流器則將能量回饋到電網(wǎng)。

具體來看，四象限整流器具有以下功能：

(1) 穩(wěn)定中間直流電壓功能：為后級(jí)牽引逆變器和DC/DC變換器供電，或?yàn)槟芰炕仞佂贰?/p>

(2) 過分相功能：通過CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))通信，配合其他子系統(tǒng)，完成列車的牽引過分相功能。

(3) 不控整流功能：當(dāng)柴油動(dòng)力包工作時(shí)，通過四象限整流器的3個(gè)H橋IGBT上的反并聯(lián)二極管進(jìn)行不控整流，給直流母線供電。

(4) 保護(hù)功能：軟硬件的直流過壓保護(hù)、直流欠壓保護(hù)、交流過壓及欠壓保護(hù)、軟硬件交流過流保護(hù)、過溫保護(hù)、變壓器故障保護(hù)、預(yù)充電不良保護(hù)、IGBT故障保護(hù)、接地故障檢測(cè)保護(hù)等。

2.2.2 牽引逆變器

牽引逆變器采用變壓變頻的VVVF(變壓變頻)控制方法，控制牽引電機(jī)發(fā)出給定的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)列車的牽引、惰性、制動(dòng)、恒速、防滑防空轉(zhuǎn)等功能。牽引逆變器接收來自司機(jī)室給定的轉(zhuǎn)矩指令，根據(jù)車控邏輯，結(jié)合當(dāng)前列車的速度、牽引系統(tǒng)的狀態(tài)，計(jì)算出要發(fā)出的轉(zhuǎn)矩，并控制牽引電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)列車的牽引傳動(dòng)。

具體來看，牽引逆變器具有電機(jī)變頻調(diào)速、車控邏輯執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算處理、保護(hù)等功能。

2.2.3 雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器根據(jù)列車運(yùn)行工況的不同，既可以作為供電源又可以作為負(fù)載運(yùn)行。接觸網(wǎng)模式下，電池作為接觸網(wǎng)的負(fù)載，在滿足相應(yīng)條件下經(jīng)雙向DC/DC變換器對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行充電；非接觸網(wǎng)模式下，電池和動(dòng)力包作為供電電源穩(wěn)定直流母線電壓，為逆變器和輔助變流器供電，在列車再生制動(dòng)時(shí)吸收制動(dòng)能量；在過分相區(qū)時(shí)，雙向DC/DC變換器和四象限整流器相互配合，為輔助變流器供電。

下面以DEMU為例，說明雙向DC/DC變換器具有的系統(tǒng)控制功能，EEMU除了沒有動(dòng)力包模式外基本與DEMU類似：

1) 系統(tǒng)能量管理與控制功能

(1) 在接觸網(wǎng)模式下，雙向DC/DC變換器根據(jù)電池的狀態(tài)，結(jié)合列車運(yùn)行的工況，控制動(dòng)力電池組合理充電。

(2) 在純電池模式模式下，雙向DC/DC變換器通過設(shè)定合理的門限，基于規(guī)則的邏輯門限管理策略，對(duì)動(dòng)力電池組的充放電進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

(3) 在純動(dòng)力包模式下，雙向DC/DC變換器被切除，不工作。

(4) 在電池-動(dòng)力包混合供電模式下，根據(jù)動(dòng)車組運(yùn)行的負(fù)載特性、柴油動(dòng)力包的油耗特性及下垂特性，基于規(guī)則的邏輯門限能量管理策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池組的充放電控制，并且通過通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多異性動(dòng)力源接入的能量管理控制，最終實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力源與負(fù)載之間的協(xié)調(diào)配合。

2) 過分相功能：在動(dòng)力電池組不發(fā)生故障時(shí)，通過CAN通信與其他子系統(tǒng)配合，在過分相階段給輔助變流器供電。

3) 保護(hù)功能：軟硬件直流過壓保護(hù)，電池過流、過溫保護(hù)，IGBT保護(hù)等。

3 輔助變流器系統(tǒng)

混合動(dòng)力動(dòng)車組的輔助變流器采用的是雙輔結(jié)構(gòu)，即一個(gè)輔助變流器里面有2套獨(dú)立完整的輔助變流系統(tǒng)。輸入是從牽引變流器的直流母線獲取直流電壓，并且具有擴(kuò)展供電功能。如圖 1下半部分所示。輔助變流器主要由輔助逆變器和充電機(jī)組成，車上的AC 380 V和AC 220 V負(fù)載由輔助逆變器供電，充電機(jī)輸入是輔助逆變器輸出的380 V交流電。

輔助逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，輔助逆變器從牽引變流器直流母線受電，額定輸入電壓與牽引變流器直流母線額定電壓相同，為DC 1 650 V；經(jīng)過三相全橋逆變、工頻隔離和輸出濾波后進(jìn)行輸出，輸出模式是三相四線制，得到的相電壓為AC 220 V，線電壓為AC 380 V，供車載中壓設(shè)備使用。其中工頻變壓器的原邊為三角形接法，副邊為星型接法，這樣可以阻止原邊脈沖電壓所含的3次諧波進(jìn)入副邊[7-8]。

圖3 輔助逆變器電路原理圖

在控制上采用了SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)調(diào)制策略，并在傳統(tǒng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系PI(比例積分調(diào)節(jié)器)控制的基礎(chǔ)上對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，充分考慮了非線性負(fù)載所帶來的諧波問題，在傳統(tǒng)PI控制器的基礎(chǔ)上加入準(zhǔn)諧振(R)控制構(gòu)成準(zhǔn)PIR閉環(huán)控制，有效保證了輔助逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及輸出電壓波形的質(zhì)量，其控制策略如圖4所示。

圖4 輔助逆變器準(zhǔn)PIR控制系統(tǒng)框圖

充電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，前級(jí)是三相整流二極管，經(jīng)過電容濾波給后級(jí)全橋DC/DC變換器供電，輸出經(jīng)防反向二極管D4后給車上110 V負(fù)載以及110 V蓄電池供電。在控制給蓄電池充電時(shí)，根據(jù)電池的電流-電壓特性，采用分段充電方式，即“限流充電—恒壓充電—浮充溫度補(bǔ)償”三段式充電模式，該模式能使蓄電池壽命最長(zhǎng)，充電效率最優(yōu)。當(dāng)充電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由110 V蓄電池給車上的直流負(fù)載供電。

圖5 充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

混合動(dòng)力動(dòng)車組的輔助變流系統(tǒng)，能為車上的AC 380 V負(fù)載、AC 220 V負(fù)載以及110 V負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源。具體來看，整個(gè)輔助變流系統(tǒng)具有完善的系統(tǒng)控制功能，包括系統(tǒng)自檢測(cè)、輔逆擴(kuò)展供電、蓄電池充放電控制、故障自恢復(fù)重啟、保護(hù)等功能。

4 網(wǎng)絡(luò)控制與故障診斷

在混合動(dòng)力動(dòng)車組上，牽引變流器以及輔助變流器均掛載在列車車底下，為方便獲取變流器相關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)、下發(fā)相關(guān)調(diào)試指令實(shí)現(xiàn)調(diào)試與故障診斷等功能，基于以太網(wǎng)通信和虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)了具有良好人機(jī)交互的軟硬件監(jiān)控系統(tǒng)，包括底層的控制器和上層的監(jiān)控界面，大大提高了列車調(diào)試以及維護(hù)的效率。

牽引變流器監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，輔助變流器的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與此類似。

圖6 牽引變流器監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

底層是為混合動(dòng)力動(dòng)車組開發(fā)的高性能控制系統(tǒng)，牽引逆變器、四象限整流器、DC/DC變換器各由一塊主控板負(fù)責(zé)進(jìn)行控制。另外采用了單獨(dú)一塊控制板用作監(jiān)控板，用于與司機(jī)室通過RS-485進(jìn)行通信，同時(shí)也負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)跟上位機(jī)的以太網(wǎng)通信；DC/DC主控板通過RS-485與車載動(dòng)力電池組的BMS(電池管理系統(tǒng))進(jìn)行通信，獲取當(dāng)前車載動(dòng)力電池組的狀態(tài)信息。4個(gè)控制板兩兩之間通過CAN進(jìn)行互連，實(shí)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的交互，同時(shí)通過監(jiān)控板接收來自上位機(jī)的調(diào)試指令或往上位機(jī)上傳系統(tǒng)的狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)便捷、高效的人機(jī)交互。

4.1 網(wǎng)絡(luò)控制

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的便捷調(diào)試，配合底層控制系統(tǒng)，開發(fā)了相應(yīng)的變流器上位機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器的網(wǎng)絡(luò)控制。功能包括系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)字量、模擬量的上傳和下發(fā)，相關(guān)狀態(tài)的顯示,故障查詢、下載，虛擬示波器實(shí)時(shí)顯示相關(guān)狀態(tài)量的波形等，輔助變流器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能與牽引變流器類似。通過軟硬件結(jié)合、底層控制系統(tǒng)與上位機(jī)的配合，為變流器提供了便捷的調(diào)試工具，同時(shí)基于虛擬儀器技術(shù)的狀態(tài)量顯示、波形觀測(cè)和存儲(chǔ)等功能，極大提高了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的效率。

4.2 故障診斷

為對(duì)列車在調(diào)試或運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，準(zhǔn)確排查故障，及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)通信和虛擬顯示技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)。以牽引變流器的故障診斷系統(tǒng)為例進(jìn)行說明(見圖7)，輔助變流器的故障診斷功能與此類似。

圖7 牽引變流器的故障診斷體系結(jié)構(gòu)

底層的控制板每個(gè)負(fù)責(zé)1個(gè)子系統(tǒng)的功能，檢測(cè)電路、采集電路以及信號(hào)調(diào)理電路復(fù)用原來控制信號(hào)采集的回路。就故障診斷而言，牽引變流器的主控板及相應(yīng)的電路設(shè)備分別作為各子系統(tǒng)的故障診斷子服務(wù)器，各子服務(wù)器負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)檢測(cè)的故障診斷功能，監(jiān)控板服務(wù)器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，從而對(duì)列車故障進(jìn)行定位和診斷，輸出診斷結(jié)果和維修建議從而進(jìn)行故障處理[9]。采用此種分布式體系的故障診斷系統(tǒng)有效均衡了各個(gè)子系統(tǒng)服務(wù)器的任務(wù)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)間的良好協(xié)調(diào)，很好地利用了系統(tǒng)的軟硬件資源。

5 結(jié)語

本文介紹了我國(guó)首列混合動(dòng)力動(dòng)車組的牽引及輔助變流器系統(tǒng)，分別從變流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制功能、網(wǎng)絡(luò)控制及故障診斷等方面進(jìn)行展開。與傳統(tǒng)動(dòng)車組的變流系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)了多動(dòng)力源接入，并解決了相關(guān)的技術(shù)問題。目前所研制的牽引及輔助變流器已通過型式試驗(yàn)并已裝車使用，目前正在進(jìn)行30萬km運(yùn)營(yíng)考核。實(shí)際運(yùn)行狀況穩(wěn)定，證明了該設(shè)計(jì)的可行性與合理性。該設(shè)計(jì)為我國(guó)譜系化動(dòng)車組技術(shù)提供了有力的技術(shù)支持，對(duì)自主化國(guó)產(chǎn)動(dòng)車組研發(fā)與創(chuàng)新具有重要的意義。