城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)研究及其發(fā)展趨勢

尚志堅(jiān)

(西安市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，710018，西安∥高級(jí)工程師)

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)總能耗主要包括牽引供電能耗和輔助供電能耗。其中輔助供電能耗占總能耗的30%～40%[1]。為助力我國早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，開展城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)和節(jié)能方案研究，對(duì)系統(tǒng)能耗優(yōu)化具有重要意義。

然而，傳統(tǒng)輔助逆變器通常采用工頻隔離型單級(jí)功率變換方案，存在由工頻變壓器帶來的體積大、噪聲大、變壓器發(fā)熱嚴(yán)重和零序分量不可控等問題。這有悖于城市軌道交通輔助逆變器的高功率密度和高變換效率的發(fā)展趨勢。隨著功率半導(dǎo)體器件和磁性材料的技術(shù)發(fā)展，提高變流器工作頻率成為降低列車自重、體積和行駛能耗的有效方法。

1 傳統(tǒng)工頻隔離型輔助供電系統(tǒng)

城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)主要功能是將列車從接觸網(wǎng)獲得的DC 1 500 V電流轉(zhuǎn)變成列車所需的AC 380 V、DC 110 V及DC 24 V電流，如圖1所示。其中，AC 380 V負(fù)載主要包含空調(diào)機(jī)組以及照明系統(tǒng)等，DC 110 V負(fù)載主要包含蓄電池和儲(chǔ)能電池組等，DC 24 V負(fù)載主要包括控制設(shè)備和便攜設(shè)備等。

圖1 傳統(tǒng)工頻隔離型輔助供電系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)方案普遍采用“工頻逆變+變壓”的技術(shù)，通過受流器從接觸網(wǎng)獲得直流電，經(jīng)過直流濾波、工頻逆變、隔離變壓器降壓和交流濾波，最終輸出AC 380 V，同時(shí)通過降壓變壓器和整流器轉(zhuǎn)換為DC 110 V,以及通過降壓斬波電路轉(zhuǎn)換為DC 24 V。大功率下工頻隔離變壓器的質(zhì)量和體積偏大，因此傳統(tǒng)輔助供電系統(tǒng)不利于列車的輕量化設(shè)計(jì)。

2 前級(jí)隔離DC-DC高頻化

隨著功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開關(guān)頻率越來越高，因此可以通過提高變壓器工作頻率來進(jìn)行減重。高頻化的輔助供電系統(tǒng)從接觸網(wǎng)取電之后，經(jīng)過直流濾波、高頻降壓斬波、工頻逆變和交流濾波后輸出AC 380 V，此外DC 110 V和24 V也由700 V的直流輸出變換而來，如圖2所示。由于傳統(tǒng)輔助供電系統(tǒng)中的2個(gè)工頻變壓器均被中高頻變壓器取代，大大提高了系統(tǒng)功率密度。

圖2 基于中高頻變壓器的輔助供電系統(tǒng)示意圖

2.1 高效率寬調(diào)壓范圍的直流變換器解決方案

LLC(電感-電感-電容)諧振變換器因其突出的軟開關(guān)性能得到了廣泛的研究。當(dāng)其工作頻率在諧振頻率點(diǎn)附近時(shí)，所有開關(guān)管均可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，且變壓器副邊整流二極管均可實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)(ZCS)，此時(shí)開關(guān)損耗最低。但考慮到列車實(shí)際運(yùn)行工況，需通過調(diào)頻控制來應(yīng)對(duì)寬范圍的輸入電壓，這需要在諧振回路中串入較大的諧振電感。這極大地增加了磁件損耗以及調(diào)壓過程中軟開關(guān)效果變差引起的器件損耗，不利于LLC變換器工作頻率的提升。因此，在LLC電路前級(jí)加入穩(wěn)壓電路很有必要。傳統(tǒng)Boost電路具有調(diào)壓能力好的特點(diǎn)，將其作為前級(jí)，利用閉環(huán)控制輸出電壓恒定；后級(jí)級(jí)聯(lián)LLC諧振變換器并采用固定工作頻率控制，讓其工作在諧振頻率點(diǎn)附近，以達(dá)到最好的軟開關(guān)效果[2]。因此，應(yīng)用像Boost+LLC這種將兩個(gè)變換器級(jí)聯(lián)的拓?fù)涑蔀榱私鉀Q寬范圍調(diào)壓和兼顧效率的趨勢，如圖3所示。除了Boost電路之外，還可以采用三電平Boost等拓?fù)溆脕斫档推骷?yīng)力和成本。

注：V表示電壓；I表示電流；L表示電感；C表示電容；D表示功率二極管；S表示功率開關(guān)管；T表示高頻變壓器；A和B分別表示第一臺(tái)和第二臺(tái)諧振變換器。

2.2 串入并出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)輸入為DC 1 500 V，考慮裕量必須采用電壓等級(jí)為3 300 V的IGBT模塊,開關(guān)管工作頻率被限制在5 kHz以內(nèi)?？紤]到相同的電流流過開關(guān)管時(shí)，電壓等級(jí)3 300 V的開關(guān)管開通損耗是1 700 V開關(guān)管的10倍以上，關(guān)斷損耗接近5倍，導(dǎo)通損耗接近1.5倍。因此，當(dāng)采用輸入串聯(lián)的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)用電壓等級(jí)為1 700 V的IGBT模塊，工作頻率可達(dá)20 kHz。此外，采用輸出并聯(lián)結(jié)構(gòu)可降低副邊整流二極管上的導(dǎo)通損耗。

為提高輔助供電系統(tǒng)的功率密度，必須提高變換器工作頻率。因此采用雙機(jī)串入并出的結(jié)構(gòu)，可以選擇電壓等級(jí)低的開關(guān)器件來達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 后級(jí)三相四線制逆變器

城市軌道交通車輛交流負(fù)載由輔助逆變器進(jìn)行供電，包括三相AC 380 V和單相AC 220 V。由于三相三線制系統(tǒng)在接入不對(duì)稱負(fù)載時(shí)，無法繼續(xù)輸出三相對(duì)稱電壓[3]，因此需采用三相四線制結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)三相不平衡問題。

以傳統(tǒng)工頻隔離型輔助逆變器為例，由于輸出側(cè)存在三角型轉(zhuǎn)星型連接的降壓變壓器，可以有效抑制由負(fù)載不平衡帶來的3次及其倍數(shù)次諧波零序電流。顯然，這種方案正在逐漸被淘汰。分裂電容式逆變器通過將直流側(cè)電容中點(diǎn)和交流側(cè)濾波電容中點(diǎn)相連以提供不平衡電流。但這種方案存在由于不平衡電流從中性線流入分裂電容帶來的母線電容壽命降低的問題[4]。此外，這種方案還要求保證中性點(diǎn)電位為零。由于前級(jí)采用了Boost+LLC串入并出的拓?fù)?，無法實(shí)現(xiàn)母線分裂電容中點(diǎn)電位平衡，因此采用三相四橋臂逆變器拓?fù)鋪斫鉀Q三相不平衡問題具有一定的應(yīng)用前景。

3.1 三相四橋臂逆變器

三相四橋臂逆變器通過在三相三橋臂逆變器的基礎(chǔ)上加入第四橋臂，并將三相濾波電容的中點(diǎn)與第四橋臂中點(diǎn)連接，利用該橋臂對(duì)零序電流進(jìn)行控制，從而保證三相負(fù)載電壓的對(duì)稱輸出。這種方案省去了母線分裂電容，提升了輔助電源設(shè)備整體可靠性。四橋臂調(diào)制方法主要有兩種：三維空間矢量調(diào)制(3D-SVM)和三橋臂常規(guī)控制加第四橋臂單獨(dú)調(diào)制。

3.2 基于下垂控制的正負(fù)零序電流均分

輔助供電系統(tǒng)配置形式分為集中式和分布式。集中式供電指整個(gè)城市軌道交通車輛的供電由2個(gè)逆變器并聯(lián)共同完成，其中每臺(tái)逆變器容量在200 kVA到240 kVA之間。如果其中一臺(tái)逆變器出現(xiàn)故障，就需要將列車上的一些重要級(jí)別不高的用電設(shè)備切除。分布式供電指每列車有4臺(tái)輔助逆變器供電，其額定容量一般在100～120 kVA左右。因此，集中式盡管供電冗余較差，但因其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕和成本低的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用[5]。

輔助供電裝置后級(jí)三相四橋臂逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其中，每臺(tái)逆變器容量為120 kVA，2臺(tái)為1組，最后由2組共同為整個(gè)列車供電。為實(shí)現(xiàn)不依賴通信的功率均分和自同步功能，采用基于下垂的并聯(lián)控制方法。正常情況下，每臺(tái)逆變器的功率指令相同，經(jīng)過下垂功率環(huán)之后生成參考電壓，再經(jīng)虛擬阻抗算法實(shí)現(xiàn)功率解耦，最后由電壓電流雙環(huán)實(shí)現(xiàn)控制。由于三相負(fù)載不對(duì)稱會(huì)引入零序和負(fù)序分量，研究自適應(yīng)虛擬阻抗設(shè)計(jì)方法，對(duì)于精確地實(shí)現(xiàn)各序電流均分很有必要。

注：L表示電感；R表示負(fù)載；C表示電容；Vc1、Vc2表示電容電壓；IL1、IL2表示電感電流；V和ω表示參考電壓的幅值和相位；Vo1、Vo2表示參考電壓；表示經(jīng)過虛擬阻抗之后的參考電壓;VSI表示電壓源逆變器。

4 輔助供電系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

盡管電力電子裝置因其控制靈活、設(shè)備功能豐富等優(yōu)勢，在輔助供電系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但仍然存在諸如設(shè)備可靠性低，功率密度和效率受限等問題。

4.1 寬禁帶器件用以提升系統(tǒng)功率密度

碳化硅器件的出現(xiàn)有望革新下一代電力電子變換器。相較于傳統(tǒng)硅(Si)材料，碳化硅(SiC)材料在禁帶寬度、擊穿電壓、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)、電子飽和漂移速度等方面的特性均得到全面提升。這些特性使得SiC功率器件具有高擊穿電壓、高開關(guān)頻率、高結(jié)溫和低通態(tài)電阻等優(yōu)勢，有利于提高輔助變流器的效率、功率密度、額定功率和可靠性。SiC器件低導(dǎo)通電阻和快速開關(guān)特性降低了器件開關(guān)損耗，加上SiC器件的高工作溫度，可以有效減小冷卻裝置尺寸。同時(shí)系統(tǒng)工作在高開關(guān)頻率下，減小了無源濾波元件的質(zhì)量，因此采用SiC器件后輔助變流器的效率和功率密度將會(huì)得到提高。此外，高工作頻率將會(huì)使得輔助變流器具有更高的控制帶寬，更好的動(dòng)態(tài)性能和更理想的輸出波形質(zhì)量。

寬禁帶半導(dǎo)體器件對(duì)電氣化交通的進(jìn)一步推進(jìn)具有重要意義。在充分發(fā)揮SiC器件優(yōu)勢的同時(shí)，應(yīng)注意可能存在的電磁干擾、短路保護(hù)等問題。這是因?yàn)镾iC器件結(jié)電容小，導(dǎo)通電阻小，以及在快速開關(guān)瞬態(tài)過程中的高dI/dt和dV/dt，會(huì)使得其開關(guān)過程比Si器件更容易受到電路寄生參數(shù)和電磁噪聲的影響。

4.2 基于母線電容壽命評(píng)估的主動(dòng)運(yùn)維方法

盡管大量地應(yīng)用電力電子設(shè)備對(duì)輔助供電系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)有積極作用，但較高的復(fù)雜度會(huì)帶來裝置可靠性相關(guān)問題。其中直流母線電容被認(rèn)為是最薄弱的環(huán)節(jié)，工程上通常采取多個(gè)鋁電解電容串并聯(lián)的方式，但隨著時(shí)間推移，其電解液將逐漸蒸發(fā)，導(dǎo)致電容特性退化。一般來說，典型電解電容工作在105 ℃的環(huán)境溫度下壽命一般不超過7年[6]。盡管近些年來，有研究提出采用薄膜電容進(jìn)行替換，但存在電容容量小、價(jià)格高等實(shí)際問題。因此，未來的研究應(yīng)側(cè)重于對(duì)電解電容進(jìn)行可靠性評(píng)估，采用主動(dòng)運(yùn)維來替代傳統(tǒng)的定期運(yùn)維，為工程問題的解決提供足夠的理論依據(jù)。

4.3 高頻磁性元件的材料選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著電力電子變壓器容量需求不斷提高，變壓器體積不斷增大，可通過提升工作頻率的方法減小高頻變壓器的體積。但工作頻率越高，可供散熱的表面積隨之減小，鐵心和繞組的高頻損耗也隨之迅速增加，導(dǎo)致電能傳輸效率低下。非晶材料由于兼?zhèn)涔桎撈柡痛磐芏却蠛丸F氧體高頻損耗低的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是今后發(fā)展大容量高頻變壓器的最佳選擇。此外，高頻磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。例如，有研究提出將鐵心總損耗與高頻變壓器視在功率的比值定義為損耗因子，以最低損耗因子水平結(jié)合體積與成本因素作為鐵心材料選擇標(biāo)準(zhǔn)的方法[7]。

5 結(jié)語

為推動(dòng)城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)，本文提出了一種前級(jí)采用串入并出Boost級(jí)聯(lián)LLC諧振變換器，后級(jí)采用三相四橋臂逆變器多機(jī)下垂并聯(lián)的方案，在降低器件應(yīng)力、提高效率和帶不平衡負(fù)載能力等方面均有一定提升。此外，本文還展望了輔助供電系統(tǒng)部件未來的發(fā)展趨勢，如寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用、母線電解電容的壽命評(píng)估和磁性材料的選型，這對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究思路具有一定參考意義。