低地板有軌電車DC/DC雙向變流器的技術(shù)特征及應(yīng)用

摘 要：低地板現(xiàn)代有軌電車采用國內(nèi)自主研發(fā)的非隔離型雙向Buck-Boost變流器。隨著超級電容在現(xiàn)代有軌電車上的廣泛運用，DC/DC雙向變流器成為現(xiàn)代有軌電車能量管理系統(tǒng)的重要組成部分。文章首先介紹DC/DC變流器和超級電容的功能特點；其次，根據(jù)運營線路有網(wǎng)區(qū)和無網(wǎng)區(qū)的供電切換，分析DC/DC雙向變流器為超級電容充電、供電、放電的工作原理；最后，研究DC/DC變流器在使用過程中存在的不足及解決措施。DC/DC雙向變流器的應(yīng)用，進一步提高了超級電容的利用率及牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免電車頻繁啟動/制動時直流母線產(chǎn)生的母線電壓波動，具有回收車輛再生制動能量的功能，對有軌電車安全平穩(wěn)運行起到了決定性的作用。

關(guān)鍵詞：DC/DC雙向變流器；無網(wǎng)區(qū)；超級電容；供電切換；再生制動

中圖分類號：U482.1

1 引言

沈陽渾南現(xiàn)代有軌電車采用超級電容供電，也是國內(nèi)第一個采用無網(wǎng)區(qū)成網(wǎng)運營的公司，線路采用分段式接觸網(wǎng)供電，接觸網(wǎng)電壓為750 VDC，有電區(qū)通過接觸網(wǎng)給整車牽引系統(tǒng)供電，無電區(qū)采用超級電容為整車牽引系統(tǒng)供電。超級電容作為新能源，很快適用于軌道交通行業(yè)，具有功率密度高、使用壽命長、快速充放電、極端溫度下仍能確保性能的穩(wěn)定和可靠性，承受大的沖擊和震動，能夠通過再生制動回收能量等特點[1]。為了達到高電壓及大容量性能，超級電容必須由多個單體進行串并聯(lián)構(gòu)成，這樣就會出現(xiàn)離散量變化大及電容電壓均衡的限制，DC/DC雙向變流器作為超級電容與牽引逆變器之間的連接模塊，是解決整個儲能系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[2]。沈陽渾南低地板有軌電車雙向DC/DC變流器經(jīng)過正線8年安全平穩(wěn)運營的考驗，能夠快速平穩(wěn)地為超級電容充電及為牽引變流器提供曲線更加平穩(wěn)的直流電源。使用期間曾出現(xiàn)因供電接觸器觸點損壞，導(dǎo)致超級電容無法供電故障，通過分析DC/DC變流器工作流程，查明供電接觸器觸點損壞原因，并采取規(guī)范駕駛標(biāo)準(zhǔn)及優(yōu)化KM3接觸器控制邏輯，徹底解決DC/DC變流器供電接觸器損壞的故障。

2 DC/DC雙向變流器簡介

現(xiàn)代低地板有軌電車的種類較多，根據(jù)不同項目及運量的需求，有三模塊、四模塊、五模塊等結(jié)構(gòu)。本研究主要介紹三模塊有軌電車，由2個動車模塊和1個拖車模塊組成。列車編組方式：=Mc1+Tp+ Mc2=，其中Mc1、Mc2為安裝動車轉(zhuǎn)向架和司機室的動車模塊，Tp為安裝受電弓和拖車轉(zhuǎn)向架的拖車模塊[3]。DC/DC雙向變流器主要與超級電容匹配使用，安裝于動車車頂，兩端動車車頂各有1個超級電容箱和DC/DC控制箱。超級電容箱主要裝載超級電容模組；DC/DC控制箱主要分為主回路箱和放電接觸器箱，雙向DC/DC變換器是指在不改變變換器兩端直流電壓極性前提下，控制能量雙向傳輸?shù)闹绷鞯街绷鞯淖儞Q器[4]。DC/DC變流器利用互補PWM控制方式對超級電容充電、供電、放電過程進行有效的控制，并且具有削峰平谷、平衡直流側(cè)電壓和能量回收給超級電容再利用的作用[5]。

3 DC/DC控制箱安裝示意

DC/DC控制箱及超級電容分布如圖1所示，其中超級電容箱位于車頂最前端，然后依次是DC/DC變流器、牽引逆變器、制動電阻、輔助逆變器等，設(shè)備的重量分布及軸重決定著設(shè)備的安裝位置。

4 DC/DC變流器主要功能特點

4.1 DC/DC變流器結(jié)構(gòu)

在雙向DC/DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，沈陽渾南選擇了適用于車載超級電容管理系統(tǒng)的雙向Buck-Boost變流器，優(yōu)化了對電容特性、串聯(lián)均壓和充電的策略。DC/DC變流器主回路箱包括強電輸入輸出接口、弱電輸入輸出接口、散熱單元；放電接觸器箱包括放電接觸器及放電接口。超級電容箱包括超級電容模組、弱電檢測電路、強電輸入輸出接口與輸入輸出重載連接器。

4.2 DC/DC變流器主要功能

（1）超級電容充電儲能時，DC/DC采用恒流方式為超級電容充電；

（2）超級電容放出電能供電時，DC/DC具有輸出恒壓（輸出電壓可調(diào)）的功能；

（3）DC/DC對超級電容有過壓保護、電壓低報警、限制電流、功率模塊溫度狀態(tài)檢測功能；

（4）整車斷控制電后，超級電容箱通過DC/DC的放電控制箱自動進行高壓放電；

（5）DC/DC箱具有故障診斷接口（采用RS485通信），配有調(diào)試用軟件界面，運行相關(guān)參數(shù)可通過調(diào)試軟件界面設(shè)置，實現(xiàn)在線調(diào)試、診斷功能；

（6）可通過專用網(wǎng)關(guān)板與車輛CANopen網(wǎng)絡(luò)相連，運行信息及故障信息可顯示在司機室HMI顯示屏上；

（7）DC/DC對于再生制動產(chǎn)生的能量，回收給超級電容充電儲能起到了決定性作用。

5 超級電容和DC/DC控制箱參數(shù)

5.1 超級電容箱電氣參數(shù)

超級電容箱額定電壓為550 V，最高電壓565 V。超級電容箱由24個48 V的超級電容模組組成，每個模組容量165 F，12個模組進行串聯(lián)組成1路，再兩路并聯(lián)組成整個超級電容箱，如圖2所示，總?cè)萘繛?7.5 F，約為1.15 kW·h，無網(wǎng)區(qū)時為牽引逆變器提供動力電，保證電車通過無電區(qū)。

5.2 DC/DC變流器電氣參數(shù)

關(guān)于DC/DC變流器為超級電容充供電參數(shù)詳見表1。

6 DC/DC變流器的控制策略及原理

6.1 DC/DC雙向變流器的控制策略

DC/DC變流器的控制策略主要是對超級電容進行充電、供電、放電的過程，以及監(jiān)控超級電容模組的電壓均衡、溫度、過壓等狀態(tài)，用于驅(qū)動車輛通過無網(wǎng)區(qū)，并且需要有網(wǎng)區(qū)和無網(wǎng)區(qū)自動切換工作，以保證有軌電車的動力來源。每次車輛啟動停止過程中，均可以為車輛加速提供能量，還可以吸收車輛再生制動產(chǎn)生的能量。DC/DC變流器主要功能是減小充放電過程中的電壓波動，限制充放電電流，避免過大電流損壞箱內(nèi)器件。DC/DC采用典型的非隔離型雙向半橋Buck-Boost變流器，非隔離型變流器沒有隔離、絕緣的要求，效率高、器件少、控制簡單，其廣泛用于具有變化范圍較大的直流母線電壓且需要直流變換處理的中小功率引用場合[6]。變流器以Buck和Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路為基礎(chǔ)，分別通過在IGBT上反并聯(lián)二極管，和在二級管上反并聯(lián)IGBT來實現(xiàn)，Buck-

Boost變流器具有輸入輸出電壓極性相同、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、元件應(yīng)力小、恒流控制充放電，性能穩(wěn)定等特點[7]。DC/DC采用恒流限壓充電法策略，因為超級電容充放電沒有記憶效應(yīng)，容值是相對固定的，總電壓會隨著充電時間的增長線性上升，電容的充電電流允許值很大，利用恒流法可以很快將電容充滿，一般只需20 s的時間，當(dāng)總電壓接近參考值時，切換為限壓浮充，以保證超級電容一直處于滿電狀態(tài)。DC/DC箱主電路圖如圖3所示。

6.2 DC/DC變流器充電原理

當(dāng)車輛啟動后，須滿足接觸網(wǎng)高壓供電正常，就是所謂的受電弓必須升到位，并且高速斷路器是閉合狀態(tài)，如圖3此時整車前端電壓傳感器就會檢測到接觸網(wǎng)電壓，DC/DC內(nèi)KM2預(yù)充電接觸器就會閉合，750 VDC通過限流電阻、熔斷器給支撐電容充電，當(dāng)支撐電容充到接觸網(wǎng)電壓90%時，此時KM1主接觸器就會閉合，KM2預(yù)充電接觸器就會斷開，高壓直接通過KM1主接觸器繼續(xù)給支撐電容充電，充滿后給IGBT供電，通過IGBT的Buck電路特性降壓，Buck降壓變換器是將直流輸入電壓變換成相對低的平均直流輸出電壓，當(dāng)IGBT2導(dǎo)通時間小于IGBT1時，T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷，T2反并聯(lián)的二極管續(xù)流，能量從TV1側(cè)流向TV2側(cè)，然后通過電抗器-電流傳感器-熔斷器給超級電容充電。此時變流器在Buck電路狀態(tài)[8]，其特點是輸出電壓低于輸入電壓，同時輸入的電流低于輸出電流。電容充滿后KM1斷開停止充電。當(dāng)有軌電車處于制動工況時，再生制動能量一部分反饋至電網(wǎng)，另一部分可通過雙向DC/DC變流器將能量傳遞至超級電容陣列，儲能裝置吸收再生制動能量[9]，達到能量回收再利用的目的。

6.3 DC/DC變流器的供電原理

在車輛將要進入無電區(qū)前，由司機在HMI屏上操縱車輛進入無電區(qū)軟按鈕，此時KM3供電接觸器閉合，DC/DC電路反過來供電，超級電容經(jīng)過熔斷器-電流傳感器-電抗器，再通過IGBT的Boost電路特性進行升壓，Boost電路作用是對輸入電壓進行升壓變換，該電路輸入電流大于輸出電流，當(dāng)IGBT2導(dǎo)通時間大于IGBT1，T2導(dǎo)通，T1關(guān)斷，T1的反向二極管續(xù)流，能量就從TV2流向TV1，再通過電流傳感器-熔斷器-二極管-KM3供電接觸器給牽引逆變器供電，保證車輛平穩(wěn)通過無電區(qū)。

車輛由無電區(qū)進入有電區(qū)之后，通過司機操作HMI屏的取消無電區(qū)模式，此時KM3接觸器斷開，KM1主接觸器再閉合，通過DC/DC的充電過程，繼續(xù)為超級電容充電。超級電容的充電、供電過程充分反應(yīng)了DC/DC變流器“雙向”兩個字的含義。

電車的無電區(qū)模式分為大、小無電區(qū)，兩者主要功能都是啟動超級電容供電，區(qū)別主要在于大無電區(qū)自動降受電弓。小無電模式主要應(yīng)用于常規(guī)無電區(qū)路口，電車可不降弓直接通過無電區(qū)及進出接觸網(wǎng)區(qū)間；大無電區(qū)主要應(yīng)用于特殊情況及試驗，當(dāng)線路出現(xiàn)凍雨等惡劣天氣時，可利用超級電容和大無電區(qū)模式降弓運行，避免接觸網(wǎng)結(jié)冰對電車供電的影響。

6.4 DC/DC變流器的放電原理

因低地板有軌電車保證了地板的高度與站臺一平，所以大部分設(shè)備都安裝在車頂，為了保證車頂檢修人員作業(yè)的安全，超級電容須進行放電處理[10]。車輛回庫后，在車輛切除控制電后，DC/DC的放電接觸器KM4就會閉合，此時超級電容的電就會通過KM4投入到制動電阻上放電，將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能消耗。

6.5 DC/DC通信及故障診斷原理

DC/DC變流器采用CAN總線通信，串聯(lián)在整車CAN網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)。超級電容通過內(nèi)部的控制板將電容的溫升、電壓、內(nèi)阻等參數(shù)通過RS485傳送給DC/DC信號板，信號板將超級電容參數(shù)和DC/DC電壓傳感器、電流傳感器、溫度模塊、接觸器狀態(tài)等信號進行監(jiān)控和故障診斷，有效控制電容的電壓均衡和充放電性能，再通過CAN網(wǎng)關(guān)盒，將需要的數(shù)據(jù)和故障診斷信息通過整車CAN網(wǎng)絡(luò)實時傳送到車輛控制單元VCU上，再相應(yīng)顯示在司機室HMI屏上，以便更好顯示DC/DC變流器及超級電容的狀態(tài)。

7 應(yīng)用過程中存在的不足

隨著電車運營公里數(shù)增多，電車出現(xiàn)無電區(qū)無牽引的故障增多，通過對無法供電故障檢查及分析，發(fā)現(xiàn)KM3供電接觸器的觸點存在燒損及粘連的情況，由DC/DC變流器的工作原理可知，KM3接觸器是無電區(qū)時，超級電容經(jīng)過DC/DC變流器給牽引逆變器供電，供電接觸器會在車輛取消無電區(qū)時斷開，通過運行記錄分析得出，如圖4所示，電車是在牽引級位的狀態(tài)下，司機操作取消無電區(qū)，所以易造成KM3帶負(fù)載分閘，通過多列車的運行記錄對比分析出接觸器是長期帶負(fù)載分閘，造成觸點拉弧損壞，損壞的觸點持續(xù)工作就易造成觸點粘連，最終導(dǎo)致KM3供電接觸器、熔斷器、IGBT、超級電容等部件燒損，及電車無牽引等故障發(fā)生。根據(jù)DC/DC的工作原理及駕駛模式采取2種解決措施：一是通過規(guī)范操作標(biāo)準(zhǔn)，要求司機操作進出無網(wǎng)區(qū)按鈕時，牽引手柄置惰行位，避免KM3接觸器帶負(fù)載分閘；二是通過升級DC/DC變流器控制程序，監(jiān)控KM3斷開時母線的電流，調(diào)整IGBT驅(qū)動脈沖進行二次防護，做到小電流斷開或進入有網(wǎng)區(qū)后斷開的控制方案，整改后通過半年的載客運營驗證，KM3接觸器觸點狀態(tài)良好，以致徹底解決DC/DC變流器觸點嚴(yán)重?fù)p壞的難題。

8 結(jié)語

文章介紹了低地板有軌電車DC/DC雙向逆變器與超級電容的工作原理及技術(shù)特征，超級電容在城市軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展離不開DC/DC變流器的控制策略，不管是DC/DC安裝在列車上還是安裝在站臺，DC/DC變流器都決定超級電容性能的平穩(wěn)及高效性，利用DC/DC平穩(wěn)濾波、拓?fù)淇煽俊㈦p向變流的特點，既提高了車輛電力驅(qū)動設(shè)備工作穩(wěn)定性和安全性，也減少了車輛的維護成本。且根據(jù)DC/DC變流器無法供電的故障，分析出KM3供電接觸器觸點燒損的真正原因，并采取了應(yīng)對措施。同時利用DC/DC變流器將再生制動能耗回收給超級電容，不僅減少了電網(wǎng)耗電，還降低設(shè)備自身損耗及碳的排放，真正達到了綠色節(jié)能環(huán)保的目的。

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