城市軌道交通中輔助供電系統(tǒng)的研究

趙志 劉洋 楊雷

摘 要：城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)有80%的容量都是為空調(diào)系統(tǒng)供電，目前空調(diào)機(jī)組內(nèi)電機(jī)均為交流電機(jī)，輔助逆變器通過(guò)直流-直流-交流-直流-交流將DC1500V直流逆變?yōu)锳C380V為空調(diào)系統(tǒng)供電，隨著變頻空調(diào)的大量使用，該輔助供電系統(tǒng)的方案因多次進(jìn)行電能變換導(dǎo)致效率低下，本文提出一種新的輔助供電系統(tǒng)拓?fù)浞桨?，能極大的提升系統(tǒng)供電效率，降低車輛重量和成本。

關(guān)鍵詞： 軌道交通;輔助逆變器;空調(diào)系統(tǒng);變頻

1 概況

近年來(lái)城市軌道交通在國(guó)內(nèi)飛速發(fā)展，車輛運(yùn)營(yíng)考核制度也趨于成熟，節(jié)能和減重已經(jīng)列入車輛性能的重要考慮目標(biāo)。同時(shí)隨著變頻技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻空調(diào)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)普及，我國(guó)應(yīng)用變頻空調(diào)的城軌電客車主要基于原定頻空調(diào)列車結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)，主流方案是在電客車的定頻空調(diào)前增加了變頻器控制，從而實(shí)現(xiàn)變頻變壓，提升空調(diào)的綜合效率。這種方式對(duì)整車的更改較少，但是從變頻空調(diào)供電結(jié)構(gòu)看，由于變流結(jié)構(gòu)比較繁瑣，各個(gè)環(huán)節(jié)總的能量損耗大，供電的效率較定頻空調(diào)來(lái)說(shuō)，反而有所降低，從而制約了列車空調(diào)系統(tǒng)整體效率的提高

2 輔助供電系統(tǒng)

如下圖所示，傳統(tǒng)輔助供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，該圖為變頻空調(diào)系統(tǒng)。

雖然變頻空調(diào)本身能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能，但是電源系統(tǒng)本身的效率將會(huì)由于加入更多的電能轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)而降低（例如：92%（輔逆） x 92% （變頻器）= 85%。同時(shí)該系統(tǒng)應(yīng)用與變頻空調(diào)系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致如下問(wèn)題：

（1）空調(diào)供電結(jié)構(gòu)變流環(huán)節(jié)較多，系統(tǒng)本身的成本更高。

（2）變頻器本身會(huì)導(dǎo)致輔助供電系統(tǒng)電壓波形產(chǎn)生更高的畸變，從而導(dǎo)致列車輔助供電系統(tǒng)在某些情況下失效。

（3）更多的變流環(huán)節(jié)需要更多的維護(hù)工作，從而增加系統(tǒng)壽命內(nèi)周期成（LCC）。

3 新型輔助供電系統(tǒng)C-lite平臺(tái)

考慮到變頻空調(diào)系統(tǒng)交-交變頻，存在環(huán)節(jié)重復(fù)，多次電能變化導(dǎo)致大量能量損耗，整個(gè)輔助供電系統(tǒng)有80%的能耗用于空調(diào)，因此通過(guò)改變空調(diào)供電中間流程，可以極大提升變頻空調(diào)系統(tǒng)的能量利用率。C-LITE平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下：

3.1節(jié)能分析

傳統(tǒng)車變頻空調(diào)采用三相交流供電，C-LITE方案中的變頻空調(diào)由直流電源供電。C-LITE電源方案的電能轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)較少（原直-直-交-直-交變?yōu)橹?直-交），故效率更高;同時(shí)變頻空調(diào)系統(tǒng)采用優(yōu)化的溫度控制算法，在保證可靠性、舒適性的前提下更節(jié)能。

3.2降本分析

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的C-LITE電源比原系統(tǒng)的輔助逆變器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，重量及尺寸都更小，成本比原系統(tǒng)的輔助逆變器更低。同時(shí)，由于C-LITE電源的單臺(tái)容量較大（額定輸出功率166kW），剩余2臺(tái)帶充電機(jī)的輔助逆變器功率在保持100%冗余的條件下，功率可由75KVA降至50KVA（功率降低，成本下降）。C-LITE電源采用獨(dú)立的空調(diào)供電母線，對(duì)空調(diào)負(fù)載管理有諸多優(yōu)勢(shì)：如在不影響其他負(fù)載的情況下，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行功率可根據(jù)直流供電母線的輸出功率進(jìn)行靈活控制;當(dāng)空調(diào)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，不會(huì)影響到其他供電母線上的負(fù)載，從而提高了車輛運(yùn)行的可靠性;便于實(shí)現(xiàn)母線的安全監(jiān)測(cè)、冗余設(shè)計(jì)，以及空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

3.3乘客舒適性分析

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了舒適性要素以滿足乘客舒適性需求，通過(guò)整車空調(diào)系統(tǒng)型式試驗(yàn)驗(yàn)證，在執(zhí)行EN14750熱舒適性要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合PMV-PPD對(duì)舒適性的研究成果。達(dá)到如下成果：

（1）溫度控制穩(wěn)定性：現(xiàn)車實(shí)際溫度控制精度達(dá)到±1℃;

（2） 溫度控制響應(yīng)性：變頻容量控制和電子膨脹閥開度控制實(shí)現(xiàn)快速控溫

（3）目標(biāo)溫度優(yōu)化：依據(jù)載客量?jī)?yōu)化目標(biāo)溫度設(shè)定;

（4）新風(fēng)量控制優(yōu)化：依據(jù)載客量控制新風(fēng);

（5） 濕度控制優(yōu)化：通過(guò)送風(fēng)量、壓縮機(jī)容量、盤管表面溫度控制除濕能力。

3.4 減重分析

城市軌道交通車輛在國(guó)內(nèi)已經(jīng)成熟，目前的發(fā)展方向主要是從車輛的性能F方面做研究，減重和節(jié)能是其中的重要研究對(duì)象，傳統(tǒng)輔助供電系統(tǒng)C-LITE平臺(tái)的重量對(duì)比分析見下圖

4結(jié)語(yǔ)

新型輔助供電系統(tǒng)C-LITE平臺(tái)，在變頻空調(diào)系統(tǒng)中擁有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，從減重、成本、節(jié)能、舒適性4各方面對(duì)于傳統(tǒng)供電系統(tǒng)均由較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，目前城市軌道交通車輛，變頻空調(diào)系統(tǒng)所占市場(chǎng)份額仍然不高，隨著變頻空調(diào)系統(tǒng)裝車業(yè)績(jī)逐漸成熟可靠，從能源的角度考慮，變頻空調(diào)系統(tǒng)會(huì)逐步完全取代定頻空調(diào)系統(tǒng)，因此雖然C-LITE平臺(tái)在市場(chǎng)上取得主導(dǎo)地位只是時(shí)間問(wèn)題。傳統(tǒng)輔助供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于經(jīng)過(guò)了多年的運(yùn)營(yíng)考核，系統(tǒng)非常成熟，故障率極低。

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