城軌地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)研究與發(fā)展

張乃政

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

輔助電源系統(tǒng)是地鐵車輛實現(xiàn)牽引控制操作的主要構(gòu)成部分，其本身工作的安全穩(wěn)定性和安全可靠性對于車輛的正常運載有著直觀的影響。在車輛的設(shè)計規(guī)劃前期，需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、操作技能、工作條件等進行綜合的分析比較，選擇適當?shù)倪\載系統(tǒng)、硬件設(shè)備以及參數(shù)信息，以構(gòu)成最佳輔助電源系統(tǒng)，適應(yīng)車輛運行的基礎(chǔ)要求，才能有效降低車輛運載周期的成本[1]。

1 輔助電源系統(tǒng)的構(gòu)建原理研究

1.1 輔助電源系統(tǒng)的構(gòu)建

車輛的基礎(chǔ)輔助電源涵蓋了輔助高壓箱、隔離開關(guān)箱、使用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）功率器件的三相逆變器系統(tǒng)、隔離變壓器、輸出濾波器、整流器、直流變換和高頻變壓器隔離、蓄電池組以及系統(tǒng)控制電路等幾個部分。

為保證地鐵的正常運作，在原有操作電源控制管理的基礎(chǔ)上，也會設(shè)定中央處理控制機制，以保證電源網(wǎng)絡(luò)信息的穩(wěn)定性。地鐵本身的運輸量較大，基本上時時刻刻都在消耗電源，因此對于輔助電源系統(tǒng)的控制管理和日常的運維管理都需要進行精細化的管理與綜合化的分析，為此就需要加快輔助電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化統(tǒng)籌及綜合化調(diào)配，形成聯(lián)動控制管理網(wǎng)絡(luò)，通過多元化的管控分析和技術(shù)控制，對該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行全方位、多角度的控制管理，形成輔助電源系統(tǒng)管控的綜合結(jié)構(gòu)。

城軌地鐵車輛有多個部分，其中輔助電源系統(tǒng)主要承擔的是額外電氣裝置的供電保障，以保證制動、牽引、風機等基礎(chǔ)的輔助電機可以正常穩(wěn)定的運作。若是地鐵車輛的輔助系統(tǒng)長時間出現(xiàn)問題，除卻機車牽引系統(tǒng)可以正常工作外，其他的裝置都會停止運行，對城軌地鐵車輛產(chǎn)生影響。機車輔助系統(tǒng)則是在直流電源和輔助電源系統(tǒng)的工作機制下進行工作的，每一臺車輛上都會配置2 臺基礎(chǔ)的輔助逆變器，將接觸網(wǎng)絡(luò)進行逆變處理，并且提供3 項基礎(chǔ)的交流電，以保證基礎(chǔ)的設(shè)備常規(guī)化運行操作。2 臺基礎(chǔ)的輔助逆變器出現(xiàn)故障的情況下，若是其中一個可以擴大適用范圍，則可以保證車輛的正常供電[2]。

1.2 輔助電源系統(tǒng)的特點

輔助電源電路在逆變電路、直流變電器電路的結(jié)構(gòu)下所構(gòu)建。系統(tǒng)本身就能實現(xiàn)電壓型的逆變電路器工作。在具體工作的過程中，首先可以采用大功率的基礎(chǔ)元件，在高頻開關(guān)工作的設(shè)定下，實現(xiàn)驅(qū)動服務(wù)。其次在大功率逆變器模塊與變換器模塊的構(gòu)建下，模塊化的設(shè)計并不會影響電路的日常工作，同時結(jié)構(gòu)較為緊湊，體積容量較小，維護便捷性較高。熱管自然冷卻方式的應(yīng)用，操作運行過程中所出現(xiàn)的噪音較小，維修保養(yǎng)的工作量也相對較小，且逆變器本身的電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件較少。因為蓄電池的恒壓特點，若是輸出過程中的性能較好，蓄電池過放電，就能自動實現(xiàn)電流放電保護。當其中一臺逆變器發(fā)生故障的情況下，閉合擴展供電箱開關(guān)，系統(tǒng)也能實現(xiàn)穩(wěn)定的運行服務(wù)，但操作中系統(tǒng)的負載承載力就會不足。車輛有這2 個基礎(chǔ)的蓄電池箱，就可以保證和控制車輛的應(yīng)急供電。同時，在車輛不能進行電壓處理的情況下，此系統(tǒng)操作中，車輛內(nèi)部的照明、裝置等基礎(chǔ)設(shè)備仍舊可以提供工作能量。城軌地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)是交流電系統(tǒng)的一項內(nèi)容，可以產(chǎn)生列車運行的不同交流電壓，保證城軌地鐵車輛輔助系統(tǒng)的電氣設(shè)備工作符合現(xiàn)行輔助電能系統(tǒng)的正常運作[3]。

輔助變流器有著多種分型方式，這里應(yīng)用最多的就是輸入側(cè)差異，也就是在直-交型和交-直-交型的條件下進行工作。在此基礎(chǔ)上，輸出差異也較為明顯，主要是變壓變頻與恒壓恒頻逆變器輸出模式之間的不同。電平級數(shù)：兩電和三電電平輔助。城軌地鐵車輛輔助逆變器主要是一種基礎(chǔ)的供電裝置，也可以滿足不同電壓頻率下的工作機制，單一車輛下的輔助逆變器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相對一致，但是控制方式方面仍舊有較為明顯的差異性。電平輔助主要是更好地控制輸出的電流形式，處理電壓等級。三電平輔助的處理操作方式雖然較為優(yōu)化，但是在實際工作中操作的煩瑣性較強。在當前社會經(jīng)濟水平的全面發(fā)展下，結(jié)構(gòu)和實際的控制相對較為簡約，已經(jīng)被廣泛的開發(fā)和使用。

2 輔助電源系統(tǒng)需滿足的基本要求和運行原理分析

2.1 基本要求

為保證輔助電源系統(tǒng)的工作效能，在具體運作時要具備以下幾個方面的基礎(chǔ)要求：一是要具備輸入電壓突變能力，在輔助電源的輸入電壓突然上升或是降低時，都需要實現(xiàn)合理化的運作，以此保證每一個控制管理階段都有額定電壓的支撐；二是具備輸入電壓瞬時中止的能力，當車輛跳弓產(chǎn)生輸入電壓短時間瞬時中止的情況下，輔助電源系統(tǒng)應(yīng)當保持正常的工作狀態(tài)；三是要有額定輸出的能力，額定功率的輸出主要指在輔助電源操作的前夕，要始終保證電源系統(tǒng)內(nèi)部存儲量的穩(wěn)定；四是具有一定的過載能力，輔助電源應(yīng)當最少承載1.5 倍的工作能力，并且可以在10 s 左右的時間內(nèi)實現(xiàn)過載；五是負載量控制，負載突變往往是在結(jié)構(gòu)工作的過程中，因為操作問題或是技術(shù)問題，受到外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致電壓本身出現(xiàn)跳動的變化，電壓負載量激增。因此，其本身的輸出電壓值在瞬間應(yīng)當達到+15%～-20%的變化，并在300 ms 內(nèi)能達到穩(wěn)定，若是負載持續(xù)出現(xiàn)變化，就能滿足車輛運行條件。

2.2 輔助電源裝置的基礎(chǔ)運行原理

在現(xiàn)有的工作機制下，輸出濾波電路需要降低到一定的形態(tài)，才能對變流器輸入的電流進行分析。因為受到變流電壓本身的限制影響，在實際的工作管理中，就需要設(shè)定專門的變流輔助控制裝置對整個輔助電源的裝置進行運行操作管理，變流器控制的方式也應(yīng)當在此基礎(chǔ)上進行工作。交流輸出的電壓承載力相對較大，在輔助電源工作的過程中首先要通過智能化的判斷分析，觀察當前額定電壓的變化情況，分析各個未知的電源輸出工作機制，進行適當?shù)呐渲煤秃侠砘膭討B(tài)輸出，才會優(yōu)化輸出電壓，保證后期各項設(shè)備工作的順利推進[4,5]。

3 城軌地鐵車輛輔助電源系統(tǒng)發(fā)展

3.1 結(jié)合輔助電源系統(tǒng)實現(xiàn)的蓄電池充電器應(yīng)用創(chuàng)新

蓄電池充電器的工作是結(jié)合當前的服務(wù)特點，在輸出電壓以及電流通過的穩(wěn)定狀態(tài)停下，直接實現(xiàn)電路控制。這種電流反饋下的數(shù)據(jù)通過控制控制器，可以加快工作優(yōu)化。通過電壓指令要求和輸出電壓反饋的數(shù)據(jù)信息之間進行比較，可以有效減少電壓誤差的出現(xiàn)。將電壓誤差輸入電壓控制器中，電壓控制器可以在轉(zhuǎn)換器中進行調(diào)節(jié)，通過模擬轉(zhuǎn)換器將信號傳輸?shù)街骺刂破?。主控制器在相似的相位環(huán)境下進行工作，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器和電池線路之間的串聯(lián)構(gòu)建，為負載工作的開展奠定基礎(chǔ)。蓄電池控制電路的方式方法是在現(xiàn)有的工作環(huán)境和硬件設(shè)施的支持下，通過合理化的配置工作模式和優(yōu)化調(diào)節(jié)工作機制，對電壓運轉(zhuǎn)的輸出情況進行分流，優(yōu)化輸出電壓在電流轉(zhuǎn)換的過程，實現(xiàn)電流的平衡效果。另外，電力控制管理可以在既定的電流控制裝置的調(diào)節(jié)下運載執(zhí)行。

3.2 基于創(chuàng)新模式構(gòu)建的交流輔助電源系統(tǒng)

3.2.1 輔助系統(tǒng)的工作方式

交流輔助電源系統(tǒng)的工作主要是在現(xiàn)有工作環(huán)境下，通過分析不同設(shè)備的運載現(xiàn)狀，優(yōu)化電流輸出模式，以此保證電流的正常工作。輔助變流器的主電路可以結(jié)合輸入側(cè)的不同分為交-直-交型、直-交型；結(jié)合輸出的差異，可以劃分為恒壓恒頻逆變器以及變壓變頻逆變器；結(jié)合主電路電平級數(shù)的差異，可以劃分為2 點或3 點輔助變流器。在機車環(huán)境下，除提供恒壓恒頻輔助變流器之外，為節(jié)約耗能操作，可以有效降低通風聲音，也可以結(jié)合設(shè)備在不同狀態(tài)下所需要的功率，以此調(diào)節(jié)電壓以及頻率環(huán)境下的輔助變流器。多數(shù)情況下，同一類型的車輛上所提供的逆變器裝置的硬件設(shè)施結(jié)構(gòu)一致，但是控制方式有所差異[5]。

（1）交-直-交型輔助變流器。主要是在牽引變壓器的輔助繞組供電，與牽引變流器一致，都是在網(wǎng)側(cè)變流器、中間直流電路以及三相逆變器的支撐下構(gòu)建而成。因為基礎(chǔ)網(wǎng)本身的電壓波動相對較大，為此交-直-交型輔助變流器的單位輸出主要是依托交流電壓的工作運轉(zhuǎn)，在原有工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)配電網(wǎng)絡(luò)的運轉(zhuǎn)模式，以輔助變流的方式進行運作，其本身的工作方式較為簡單、成本低，但是對電網(wǎng)環(huán)境的影響頗大。

（2）直-交型輔助變流器。其主要是通過直流電網(wǎng)直接牽引，實現(xiàn)中間電流的取電操作，逆變器的工作從直流到三相交流電之間的轉(zhuǎn)換操作。直-交型輔助變流器已經(jīng)逐漸使用在多種場合中。因為輸入的電壓相對較高，為保證整個輸出電壓工作模式的穩(wěn)定性，在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，需要不斷調(diào)節(jié)直流交流電源的工作方式，通過交流轉(zhuǎn)換的方式將變流器的工作壓力削弱，同時增強電流運轉(zhuǎn)的操作模式，加快電流傳輸轉(zhuǎn)型，調(diào)節(jié)電流壓力，之后再進行逆變操作。為了獲得高質(zhì)量的三相交流單元，多數(shù)都需要進行濾波鏈路優(yōu)化。

直流電源系統(tǒng)實質(zhì)上就是為列車照明或是應(yīng)急供電系統(tǒng)服務(wù)的系統(tǒng)，電壓等級多數(shù)在不同的動車組環(huán)境下實施，雖然有部分的電流省略，但是因為直流母線的電壓相對較低，在同一環(huán)境下的功率放電的情況下，使用的線纜相對較粗，損耗相對較大，抗干擾能力較差。此外，直流電源系統(tǒng)涵蓋了蓄電池以及蓄電池充電機，多數(shù)功率放電的情況下，蓄電池充電機會直接向直流負載供電，對蓄電池進行充電操作。當電網(wǎng)出現(xiàn)斷電的情況下，直流負載在蓄電池的供電下進行工作。蓄電池充電機的輸入多數(shù)是在輔助逆變器輸出的環(huán)境下進行操作的。

3.2.2 直-交型和交-直-交型輔助變流器實現(xiàn)方案

（1）交-直-交型輔助變流器。這種變流器在運轉(zhuǎn)操作的過程中，都是在輔助繞組的工作機制下提供專項的供電。這種模式下輔助電流器工作落實的過程中，因為接觸網(wǎng)本身的電壓波動承載力需求高，因此輸入電流也會出現(xiàn)波動的情況。為了保證整個直流回路電流工作的高效性，就可以通過控制電路的方式，做好正流電路分析。整流電路可以分為相控和脈沖，其中前者的使用相對較早，優(yōu)勢較大，結(jié)構(gòu)簡約，操作便捷性較高，但是內(nèi)測的功率條件不高；后者作為先進技術(shù)的典型代表已經(jīng)逐漸替代了原有的相控整流器，可以保證最終的工作效能。

（2）直-交型輔助變流器。這種變流器操作機制和上述的交-直-交型的輔助變流器有著明顯的差異性，可以從牽引變流器的中間直流回路中直接進行確定，或是從原有的城軌地鐵車輛直流網(wǎng)段直接取電。這種變流器操作便捷，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在多種城軌地鐵車輛中。而直-交型輔助交流器設(shè)備的輸入電流會直接導(dǎo)致電壓增高。為了適應(yīng)當前的操作需求，就需要在降壓輔助設(shè)備的支持下轉(zhuǎn)變輸入電壓。通過轉(zhuǎn)變輸入電流模式下的電壓設(shè)備，可以更好地保證當前的電流工作效果，達到最佳的處理狀態(tài)。實際的操作過程中為了優(yōu)化升壓后電流的質(zhì)量，多數(shù)都會再次增加濾波，更好地保持電流的穩(wěn)定性效果。在輸入電流轉(zhuǎn)化方式的過程中，濾波設(shè)置主要被安裝在降壓器設(shè)備前端，在逆變器工作之后，在輸入到電流優(yōu)化方式下，以此保證最佳的工作效能。

直流電源系統(tǒng)的工作主要是實現(xiàn)系統(tǒng)控制和列車照明的供電功能。部分型號的車組為了轉(zhuǎn)化升級，就需要有專項的輔助車輛，以此減少電壓轉(zhuǎn)化，但是也會導(dǎo)致耗能增大，抗干擾能力較弱。

4 結(jié) 論

城軌地鐵車輛是保障城市基礎(chǔ)交通運作的主要條件。輔助電源系統(tǒng)的工作可以為列車提供基礎(chǔ)的電能，推動輔助系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運作。若是輔助電源系統(tǒng)不能有效運作，就會導(dǎo)致輔助系統(tǒng)的失靈，為此輔助電源系統(tǒng)的安全管理研究就顯得尤為必要。雖然在多數(shù)車輛中都會配置2 臺基礎(chǔ)的輔助逆變器，以此應(yīng)對緊急狀態(tài)，但是需要注重安全穩(wěn)定的運行操作，工作人員只有了解到了輔助電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作原理，才能及時調(diào)節(jié)修復(fù)故障問題，以減少輔助逆變器工作失靈對于車輛運行產(chǎn)生的影響。