城軌車輛輔助供電系統(tǒng)節(jié)能方案研究

彭敏　肖曉

摘 要：隨著變流技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，城市軌道交通已成為市民出行的主要方式，為了響應(yīng)國家節(jié)能降耗政策，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，開展城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)節(jié)能方案研究，對城市軌道交通系統(tǒng)能耗優(yōu)化具有重要意義。文章通過分析車輛輔助供電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)和空調(diào)等重要負(fù)載供電電路，提出一種基于高頻直流斬波降壓電源的車輛輔助供電系統(tǒng)優(yōu)化方案，描述其基本原理，并通過理論計(jì)算對優(yōu)化方案的節(jié)能效果進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;車輛;輔助供電系統(tǒng);節(jié)能方案

中圖分類號：U213.8

0 引言

城市軌道交通系統(tǒng)車輛總能耗主要包括牽引供電能耗和輔助供電能耗。其中，牽引供電能耗指列車動力系統(tǒng)耗能，通過牽引供電系統(tǒng)提供;輔助供電能耗指動力系統(tǒng)以外的其他設(shè)備如列車控制系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等產(chǎn)生的耗能，通過輔助供電系統(tǒng)提供。輔助供電能耗占車輛總能耗的30%～40%。因此，開展城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)節(jié)能方案研究具有重要意義。

1 輔助供電系統(tǒng)

城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)是將從接觸軌或接觸網(wǎng)獲得的直流電能轉(zhuǎn)變成車載子系統(tǒng)所需的AC 380 V和DC 110 V。其中AC 380 V負(fù)載主要包含設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)和空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝器、通風(fēng)機(jī)和制動系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)等。DC 110 V負(fù)載主要包含照明系統(tǒng)、門控系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)等。

城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)目前普遍采用“工頻逆變-變壓”技術(shù)方案，通過受流器從接觸軌或接觸網(wǎng)獲得直流電，經(jīng)過直流濾波、逆變、交流濾波、隔離降壓，輸出AC 380 V，同時，通過降壓、整流轉(zhuǎn)換為 DC 110 V。其基本原理如圖1所示。輔助供電系統(tǒng)主要包括直流濾波器、工頻逆變器、工頻交流濾波器、工頻隔離變壓器 、降壓變壓器和二極管整流器等電路設(shè)備。各設(shè)備主要功能如下：

（1）直流濾波器設(shè)在DC 1 500 V高壓母線和逆變電源中間，用于抑制高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)諧波;

（2）工頻逆變器通過脈寬調(diào)制技術(shù)和微電腦控制技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)化成AC 380 V / 50 Hz電壓;

（3）工頻交流濾波器用來濾除交流諧波，避免對系統(tǒng)帶來不良影響;

（4）工頻隔離變壓器用于對輸出電壓隔離和降壓;

（5）降壓變壓器將AC 380 V降壓為整流器所需的AC 150 V;

（6）二極管整流器將降壓變壓器提供的AC 150 V整流變換為DC 110 V。

傳統(tǒng)車輛輔助供電系統(tǒng)方案中，由于降壓環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中處于靠后位置，導(dǎo)致降壓變壓器輸出側(cè)相應(yīng)部件的耐壓等級提高，尤其是大功率工頻隔離變壓器質(zhì)量和體積均偏大。因此，傳統(tǒng)輔助供電系統(tǒng)不僅效率低、對安裝空間要求高，而且不利于車輛輕量化設(shè)計(jì)。

2 輔助供電系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 電源端優(yōu)化方案

隨著電力電子和控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，逆變器開關(guān)頻率也越來越高。因此，基于高頻直流斬波降壓電源對傳統(tǒng)車輛輔助供電系統(tǒng)電源端進(jìn)行優(yōu)化后，可以提供DC700V、AC 380 V和DC 110 V 3種不同制式和電壓等級的輔助輸出電源。其中DC 700 V直接為空調(diào)系統(tǒng)提供電能。

優(yōu)化后輔助供電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。該輔助供電系統(tǒng)高頻降壓-逆變方案主要包括直流濾波器、高頻降壓斬波器、工頻逆變器、工頻交流濾波器、高頻逆變器、高頻變壓器、高頻整流器和濾波器等電路設(shè)備。各設(shè)備主要功能如下：

（1）直流濾波器用于抑制高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)諧波;

（2）高頻降壓斬波器位于輸入濾波器后端，將DC1500V通過脈寬調(diào)制或頻率調(diào)制方式轉(zhuǎn)換為電壓極性相同的DC 700 V;

（3）工頻逆變器將直流電轉(zhuǎn)化成AC 380 V / 50 Hz交流電;

（4）工頻交流濾波器濾除交流諧波;

（5）高頻逆變器將輸入的DC 700 V轉(zhuǎn)化為中間的高頻交流電源;

（6）高頻變壓器用于中間電壓變換;

（7）高頻整流器將變壓器提供的中間交流電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的DC 110 V;

（8）濾波器用于直流輸出端電壓濾波。

2.2 用電端優(yōu)化方案

AC 380 V輸出能耗占輔助供電系統(tǒng)總輸出能耗90%以上，其中空調(diào)系統(tǒng)能耗占AC 380 V輸出能耗80%以上，因此，本文主要對空調(diào)供電回路進(jìn)行優(yōu)化研究。

2.2.1 傳統(tǒng)空調(diào)供電回路

當(dāng)城市軌道交通車輛采用定頻空調(diào)時，空調(diào)系統(tǒng)供電電路通過控制壓縮機(jī)的工作時間占比控制空調(diào)制冷量，即由主電路輸出的AC 380 V經(jīng)過濾波后直接向空調(diào)系統(tǒng)供電，無需額外變頻。但定頻空調(diào)系統(tǒng)工作時制冷量是一定的，只能通過頻繁的啟停壓縮機(jī)控制制冷量;隨著變頻空調(diào)技術(shù)的出現(xiàn)，可通過改變空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)工作頻率，實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

由AC380V作為空調(diào)系統(tǒng)電源時，如采用變頻空調(diào)系統(tǒng)，需先經(jīng)整流器整流，然后經(jīng)逆變器將直流電逆變成交流電提供給空調(diào)系統(tǒng)的變頻壓縮機(jī)，傳統(tǒng)變頻空調(diào)用電主回路如圖3所示。但變頻空調(diào)系統(tǒng)在整流過程中存在一定的能量損耗（一般整流器效率約為96%），降低了輔助供電系統(tǒng)總效率。

2.2.2 空調(diào)供電回路優(yōu)化方案

基于輔助供電系統(tǒng)優(yōu)化方案和空調(diào)變頻技術(shù)的成熟，提出一種新的“輔助電源→空調(diào)”供電方案，即將輔助供電系統(tǒng)第一級輸出降壓形成的DC700V直接提供給變頻空調(diào)的逆變模塊進(jìn)行逆變，并在該過程中實(shí)現(xiàn)變頻控制，優(yōu)化后的空調(diào)供電回路如圖4所示。

[9]趙清良，劉清，曾明高. 城軌地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)研究與發(fā)展[J]. 機(jī)車電傳動， 2012（1）：52-57.

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[11] 陸源清. 地鐵空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能分析[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2015（6）：22-26.

收稿日期 2019-07-09

責(zé)任編輯 宗仁莉

Study on energy saving solutions of auxiliary power supply system for urban rail vehicles

Peng Min， Xiao Xiao

Abstract： With the development of converter technology， control technology and computer technology， urban rail transit has become the main mode for people to travel. In order to respond to the national policy of energy saving and consumption reduction， accelerate the construction of resource-saving and environmental-friendly society， and carry out the research on the energy-saving solutions of auxiliary power supply system of urban rail transit vehicles， it is of great significance for the optimization of energy consumption of urban rail transit system. By analyzing the main circuit structure of the vehicle auxiliary power supply system and the important load power supply circuits such as air conditioning， this paper puts forward an optimization solutions of the vehicle auxiliary power supply system based on the high frequency DC chopper step-down power supply， describes its basic principle， and verifies the energy-saving effect of the optimization solutions through theoretical calculation.

Keywords： urban rail transit， vehicle， auxiliary power supply system， energy saving solution

作者簡介：彭敏（1986—），女，工程師