波士頓地鐵直流低壓輔助供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

單正輝

(中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)

波士頓地鐵由司機(jī)室車(Cab Car,CC)和非司機(jī)室車(Non-Cab Car,NC)構(gòu)成1個(gè)編組,根據(jù)不同的運(yùn)營工況可實(shí)現(xiàn)靈活編組,以達(dá)到能源利用和運(yùn)營效率的最大化。

根據(jù)列車各系統(tǒng)控制電源、蓄電池等直流負(fù)載類型與數(shù)量、規(guī)格與參數(shù)、列車編組形式與數(shù)量、故障冗余供電要求等確定直流輔助供電系統(tǒng)輸出容量、輸出性能、充電性能等頂層設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo);結(jié)合空調(diào)、牽引風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、單項(xiàng)插座等交流負(fù)載的類型與數(shù)量、規(guī)格與參數(shù)、列車編組形式與數(shù)量、故障冗余供電要求等確定交流輔助供電系統(tǒng)三相與單相輸出容量、輸出性能、過載能力等頂層設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)[1]。本文將重點(diǎn)對(duì)波士頓地鐵直流低壓輔助供電系統(tǒng)整體的功能進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 輔助系統(tǒng)概述

1.1 輔助系統(tǒng)組成

輔助供電系統(tǒng)(Auxiliary Power System,APS)主要包括直流低壓輔助供電系統(tǒng)(Low Voltage Power System,LVPS)和交流輔助逆變器(Auxiliary Power Inverter,API)。直流低壓輔助供電系統(tǒng)具有輸出DC 37.5 V電壓的能力,為車載設(shè)備提供控制和充電電源;交流輔助逆變器具有輸出頻率為60 Hz 的三相AC 230 V 和單相AC 120 V的能力,為車載交流負(fù)載提供工作電壓。輔助系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,在CC車和NC車上均安裝了相同的APS。

SPDK—車間電源檢測(cè)接觸器;CB—斷路器;BD—二極管;HVDB—高壓箱。

1.2 輸入輸出電源

該項(xiàng)目采用第三軌受電方式,輸入電壓為DC 600 V,API和LVPS通過DC/DC Converter、CVCF Inverter及DC Output Filter等設(shè)備后分別輸出三相AC 230 V、單相AC 120 V以及DC 37.5 V。

1.3 冗余控制方式

LVPS采用并網(wǎng)供電模式,供電過程由系統(tǒng)自動(dòng)控制,無需人工干預(yù),當(dāng)某臺(tái)逆變電源故障時(shí)將自動(dòng)與母線隔離,剩余電源繼續(xù)正常供電,全列負(fù)載不受影響,確保乘坐舒適性[2]。一個(gè)編組內(nèi)的2個(gè)API設(shè)備,當(dāng)其中一個(gè)API發(fā)生故障時(shí),通過控制擴(kuò)展供電接觸器閉合,由工作狀態(tài)良好的API為整列車的交流負(fù)載供電。考慮到API的容量有限,此時(shí)每輛車的空調(diào)要減載運(yùn)行[3]。

2 LVPS輸出電壓控制

LVPS的輸出電壓控制功能主要包括:基于溫度補(bǔ)償?shù)暮銐?、恒功率控?限流模式控制以及過流保護(hù)和短路保護(hù)等,如圖2所示。根據(jù)IEEE 1476:2000《客車輔助電力系統(tǒng)接口》,在額定功率下LVPS輸出電壓的上限值設(shè)置為DC 40.6 V,這是因?yàn)長VPS同時(shí)為蓄電池和其他直流負(fù)載提供電源。DC 40.6 V的上限值由該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的42.5 V計(jì)算得出的。計(jì)算過程如下:

圖2 LVPS輸出電壓控制

42.5/1.02(考慮控制公差2%)=41.67 V

41.67-1(考慮帶斜坡的恒壓控制)=40.67 V

因?yàn)樵O(shè)定值需低于DC 40.67 V,所以采用DC 40.6 V作為上限值。

2.1 蓄電池溫度補(bǔ)償

現(xiàn)階段,大多數(shù)備用電源中的能量存儲(chǔ)依靠蓄電池。為了提高供電持續(xù)性,勢(shì)必要提高蓄電池組性能。考慮到技術(shù)、資金等因素,常用的是采用單充電機(jī)對(duì)整組串聯(lián)蓄電池進(jìn)行充電。將充電機(jī)調(diào)整到恒壓限流形式,與電池組并聯(lián),如果電池組容量損失,充電機(jī)將自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充[4]。

通過對(duì)蓄電池的過充電保護(hù)及過充閾值電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償特性的研究[5],優(yōu)化充電控制和保護(hù)邏輯,大大提高了蓄電池的使用壽命和安全性。

2.1.1 蓄電池溫度采集

LVPS接收來自網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)(Vehicle Monitoring System-VMS,VMS)的蓄電池溫度信號(hào)。蓄電池溫度采集過程如圖4所示。

(1) 溫度傳感器連接到LVPS#1;

(2) LVPS#1接收電池溫度信號(hào);

(3) LVPS#1通過列車網(wǎng)絡(luò)向VMS發(fā)送蓄電池溫度信息;

(4) VMS向LVPS#1和LVPS#2發(fā)送蓄電池溫度信息,LVPS使用該溫度信息進(jìn)行輸出控制;

(5) LVPS#1和LVPS#2分別被安裝在CC車和NC車上。

如果蓄電池溫度低于-4 °F(-20 ℃)或高于140 °F(60 ℃),停止蓄電池溫度補(bǔ)償。在額定功率下,LVPS輸出電壓被控制在DC 35.5 V,防止蓄電池被過度充電,如圖3所示。

GCU-門極控制單元。

此外,如果蓄電池溫度低于-35 °F(-37 ℃)或高于140 °F(60 ℃)的工況持續(xù)20 ms,LVPS將觸發(fā)蓄電池溫度異常警報(bào),通知司機(jī)或維修人員采取相應(yīng)的措施。

蓄電池充電電壓補(bǔ)償曲線如圖4所示。本項(xiàng)目環(huán)境溫度范圍設(shè)置在-29～49 ℃之間,且蓄電池溫度可能高于環(huán)境溫度。

圖4 蓄電池充電電壓補(bǔ)償曲線

2.1.2 目標(biāo)輸出電壓

根據(jù)溫度補(bǔ)償曲線來計(jì)算目標(biāo)電壓UT:

(1) 當(dāng)蓄電池溫度TB<-20 ℃或TB>60 ℃時(shí),目標(biāo)電壓UT會(huì)被限制為DC 35.5 V,以確保蓄電池的充電安全,防止充電電壓過高造成蓄電池組的損傷或爆炸;

(2)-4.8 ℃

(3) 20 ℃

2.1.3 實(shí)際輸出電壓

實(shí)際輸出電壓受負(fù)載影響,計(jì)算方法如下:

額定電流IR=12.5×1 000/UT;

無負(fù)載工況下輸出電壓U1=UT+1;

LVPS輸出電流IDC由電流傳感器測(cè)得;

理想輸出電壓U2=U1-IDC/IR;

考慮±2%的誤差后,實(shí)際LVPS輸出電壓U3應(yīng)該在如下范圍之內(nèi):0.98U2

2.2 恒壓控制

LVPS輸出由溫度補(bǔ)償曲線所確定的目標(biāo)電壓,隨著LVPS輸出電流的減小,其輸出電壓隨斜坡小幅逐漸增加,如在20 ℃時(shí)其斜坡特性為 (0 A,DC 38.5 V),(333 A,DC 37.5 V),如圖3所示,即LVPS輸出電壓會(huì)隨著輸出電流在DC 37.5～38.5 V內(nèi)以±2%的誤差波動(dòng)。

但以下工況LVPS輸出電壓可能會(huì)超出規(guī)定范圍:

(1) 在直流限流模式。

(2) 直流負(fù)載突變,輸出電壓會(huì)被控制在額定LVPS輸出電壓的±10%;在蓄電池不作為直流負(fù)載的工況下,車載其他直流負(fù)載突變,LVPS最大輸出電壓不會(huì)超過DC 44.7 V。

(3) 輸入電壓突變,將導(dǎo)致LVPS輸出電壓發(fā)生持續(xù)100 ms的突變。

2.3 恒功率控制

根據(jù)溫度補(bǔ)償曲線確定輸出目標(biāo)電壓,LVPS可以根據(jù)不同的目標(biāo)電壓保持額定功率12.5 kW輸出。

2.4 限流、過流及短路保護(hù)

2.4.1 限流模式

當(dāng)直流輸出電流超過352 A(12.5 kW/DC 35.5 V),LVPS系統(tǒng)將激活限流模式,輸出電流將被限制在352 A左右。

2.4.2 過流保護(hù)

當(dāng)直流輸出電流達(dá)到或超過500(1±3%) A,LVPS系統(tǒng)將激活過流保護(hù),LVPS將停止輸出3 s,如果電流值回到正常范圍后可自動(dòng)復(fù)位;如果在1 min內(nèi)該工況連續(xù)發(fā)生3次,LVPS將永久停止工作,需要進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位激活。

2.4.3 短路保護(hù)

在限流模式工況下,如果檢測(cè)到輸出電壓小于DC 20(1±5%) V并持續(xù)5 s,短路保護(hù)將被激活,LVPS將停止輸出3 s,如果電流值回到正常范圍后可自動(dòng)復(fù)位;如果在1 min內(nèi)該工況連續(xù)發(fā)生3次,LVPS將永久停止工作,需要進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位激活。

3 監(jiān)控及故障診斷

可以通過網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)VMS或便攜式測(cè)試裝置(Portable Test Unit,PTU)對(duì)LVPS系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷。

3.1 LVPS與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)VMS接口

LVPS與VMS的以太網(wǎng)接口滿足IEEE 802.3系列標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61375-3-4:2014《鐵路電子設(shè)備 列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN) 第3-4部分:以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)(ECN)》的相關(guān)要求。

3.2 狀態(tài)監(jiān)視

通過VMD對(duì)LVPS系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,如圖5所示。

圖5 LVPS系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控

3.3 故障診斷

VMS可以實(shí)時(shí)顯示及查詢歷史故障信息,如圖6所示,指導(dǎo)司機(jī)或維修人員及時(shí)應(yīng)對(duì)和處理故障。通過故障存儲(chǔ)功能,維修人員可以通過PTU下載故障記錄用于故障的分析和處理。

圖6 故障信息實(shí)時(shí)顯示與下載分析

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文對(duì)LVPS在正常和非正常溫度工況下的輸出電壓控制及故障診斷能力的試驗(yàn)驗(yàn)證過程進(jìn)行了闡述。通過LVPS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理(Real Time Data Monitoring,RTDM)數(shù)據(jù)可以獲得蓄電池溫度、充電電壓、充電電流、LVPS輸出電流、LVSP工作模式等信息,并將它們用于試驗(yàn)驗(yàn)證,如圖7所示。

4.1 正常溫度工況驗(yàn)證

在室溫環(huán)境下,蓄電池放電30 min后,啟動(dòng)LVPS系統(tǒng)進(jìn)行直流負(fù)載供電和蓄電池充電;在非限流模式下,當(dāng)LVPS輸出電流小于100 A后,測(cè)量輸出電壓U3,其應(yīng)滿足2.4.2中所規(guī)定的0.98U2

表2 正常溫度工況下的試驗(yàn)結(jié)果

4.2 非正常溫度工況驗(yàn)證

蓄電池放電30 min后,啟動(dòng)LVPS系統(tǒng)進(jìn)行直流負(fù)載供電和蓄電池充電,分別對(duì)蓄電池溫度傳感器進(jìn)行加熱和降溫操作,使溫度達(dá)到140 °F(60 ℃)以上和-4 °F(-20 ℃)工況,并持續(xù)一段時(shí)間;在非限流模式下,當(dāng)LVPS輸出電流小于100 A后對(duì)輸出電壓測(cè)量,其應(yīng)滿足2.4.2中所規(guī)定的0.98U2

表3 非正常溫度工況下試驗(yàn)結(jié)果

4.3 溫度異常報(bào)警驗(yàn)證

由于蓄電池溫度決定了其充電電壓,因此在溫度異常工況下,如果對(duì)蓄電池持續(xù)進(jìn)行高壓充電是十分危險(xiǎn)的,為了防止這樣的危險(xiǎn)工況發(fā)生,一方面充電控制邏輯要將充電電壓限制在一個(gè)合理的范圍內(nèi),以保證其他直流負(fù)載的正常工作,而又不造成過充的現(xiàn)象;另一方面要通過蓄電池溫度異常報(bào)警告知司機(jī)或維修人員及時(shí)采取措施。

為了驗(yàn)證溫度異常報(bào)警功能,在非正常溫度工況試驗(yàn)過程中使用熱風(fēng)槍對(duì)蓄電池溫度傳感器進(jìn)行持續(xù)加熱,使其超過預(yù)先定義的閾值,3 s后在VMD上查看,已顯示“OUT OF RANGE battery temperature”報(bào)警信息。停止加熱,待溫度恢復(fù)正常范圍5 min后故障自動(dòng)解除。在溫度超過閾值的工況下,LVPS輸出電壓會(huì)被限制在35.5 V左右,從而保障蓄電池的充電安全。

5 結(jié)束語

本文從系統(tǒng)組成、輸出電壓控制、狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷及試驗(yàn)驗(yàn)證等幾個(gè)方面系統(tǒng)性地闡述了波士頓地鐵直流輔助系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì),重點(diǎn)研究了異常溫度工況下的充電控制邏輯,避免由于過度充電而導(dǎo)致的蓄電池組損傷或爆炸的風(fēng)險(xiǎn),使其輸出電壓能夠同時(shí)滿足直流負(fù)載正常工作及蓄電池組安全充電的需求,并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證和運(yùn)營考核。