关键词 城轨车辆 辅助电源系统 并网供电
1 前言
地铁列车辅助电源系统为列车空调、采暖、空压机组、列车照明、控制电路、电动车门、PIS系统、车载信号与通信设备等提供电源。
列车空调、采暖、列车照明、PIS系统等直接关乎乘客的乘坐感受，列车控制系统是车辆的控制中心。辅助电源系统作为其供电电源，其设计一定要满足车辆的各项参数和指标。
车辆共有4个辅助逆变器，设置3个中压母线接触器电路，辅助电源系统的中压母线由并联的辅助逆变器供电，实现并网供电。
2 系统配置
广州地铁13号线工程车辆为8节编组，分为2个单元，每4节车一个单元。
辅助电源将直流电压（DC1500V）逆变成三相交流电压（AC380V），为空调、空气压缩机、照明等提供稳定的三相四线制的交流电压；蓄电池充电机采用DC/DC高频变换技术, 将DC1500V输入电压变换成稳定的DC110V电源，作为列车直流照明、各系统控制回路以及车载信号和通信设备的直流电源，同时为DC110V蓄电池组充电。
广州地铁13号线车辆的交流负载为405kVA，辅助逆变器的输出额定功率为160kVA,当一台辅助逆变器故障时，列车不用切除任何交流负载；当两台辅助逆变器发生故障，所有空调机组减载制冷，保留全部通风，其它交流负载不受任何影响；当三台辅助逆变器发生故障，切除空调，保留全部通风，其它交流负载不受影响。
DC110V直流负载功率为26kW（不含开关门功率）考虑开关门时的电机功率（开关门时间7s），总功率为35kW。蓄电池充电机的功率为30kW，过载功率为35kw,过载可持续10s。当1台充电机发生故障时，列车负载不受影响。
为保证辅助电源系统的高可用性及通过断电区时避免电压中断，设置列车DC1500V辅助专用高压母线，通过高压辅助母线将列车4台辅助电源输入端并行连接起来，并SH设置母线熔断器进行保护。每单元Tc车上安装1台蓄电池充电机（DC/DC），输出功率总容量为30kW。配置４台SIV，2台蓄电池充电机，SIV通过并联供电向8辆编组列车的负载供电。
3 设备参数
3.1 辅助逆变器
辅助逆变器箱输出AC380V/220V/50Hz电压， 辅助电源系统AC380V输出采用并联供电技术，具有冗余度高、可用性高的特点，在任一台辅助逆变器箱故障时，剩余的三台辅助逆变器箱仍能满足列车负载供电需求。
辅助逆变器主要技术参数
额定输入电压：DC1500V；工作电压变化范围：DC1000V-1800V(正常输出特性)；
额定输出电压：AC380Vrms±5%/220Vrms±5%；输出相数：3相4线；输出频率：50Hz±1%
额定输出容量：160kVA； 功率因数： 0.85；总效率：＞90%
3.2 蓄电池充电机箱
在列车每单元Tc车上安装1台蓄电池充电机（DC/DC），输出功率总容量为30kW。设置低压母线，将2台蓄电池充电机并联起来
蓄电池充电机主要技术参数
输入电压：DC1000V-1800V（正常输出特性）；额定输出电压：DC110V±2%；额定输出容量：30kW
3.3 蓄电池组
城市轨道车辆紧急情况下直流负载的要求如下：列车在无网压时，蓄电池的容量能够给列车内部事故照明、外部照明、紧急通风、车载安全设备、广播、通讯系统等工作45分钟，LCD屏工作6分钟后自动关闭。并保证列车开关一次车门。当网压恢复时，蓄电池电压能够保证静止逆变器的起动。整车DC110V负载功率为30.536kW（不含开关门），蓄电池为铅酸蓄电池，容量为220AH。
在列车每单元A车上安装1台蓄电池箱。蓄电池组、蓄电池充电机箱、低压母线连接在一起，正常情况下由蓄电池充电机箱给车辆供110V电压，并给蓄电池组充电。当故障时，由蓄电池组向车辆供110V电压。2组蓄电池组通过低压母线并联在一起。
蓄电池组参数
额定单体电压：2V；充电电压：2.32V~2.38；数量：54只
4 系统电路说明
辅助电源主电路原理详见图 2 辅助电源主电路原理图，主电路设备分为高压箱，辅助逆变器箱和蓄电池充电机箱以及蓄电池箱。。
4.1 辅助逆变器主电路
?DC1500V电压经受电弓送入高压箱，经高压电器箱内的转换开关、隔离二极管、直流熔断器送入辅助逆变器箱。辅助逆变器箱的输入端设置有手动隔离放电开关，直流输入高压经直流滤波电抗器、电容器充放电电路、直流接触器、直流滤波电容器，送至IGBT逆变器进行逆变后输出PWM波交流电压，再送入输出变压器（进行电压隔离、降压,经三相交流滤波器滤波得到低谐波含量的三相准正弦电压，输出三相380VRMS /50Hz电压，从任何一相输出线与变压器的中性点之间均可得到单相交流220VRMS电压。
4.2 蓄电池充电机电路
蓄电池充电机采用DC/DC高频变换技术, 将DC1500V输入电压变换成稳定的DC110V电源，为列车DC110V负载供电及为蓄电池组充电，其主电路原理图见图2。
输入的DC1500V电压经由输入滤波电感、滤波电容进行滤波与分压，将输入电压分压为两路DC750V电压，由接触器与充电电阻组成的电容器充电电路对滤波电容进行预充电和充电, 分压后的两路DC750V电压分别送入两个高频变换模块，变换为高频矩形波电压，分别经高频变压器进行隔离、降压后，由高频整流二极管整流，再经输出滤波器进行滤波，输出合并，最后输出稳定的直流电压DC110V供给负载（一路到蓄电池充电，一路去DC110V列车线）。
蓄电池充电机提供应急启动功能，当主蓄电池发生故障时（如严重馈电）能通过应急启动电路启动蓄电池充电机，本系统中采用DC1500V/110V应急启动电源（DBPS）电路。应急启动原理如图1所示。
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图1应急启动原理图
应急紧急电源（DBPS）将受电弓1500V直流电压直接通过DC/DC转换到隔离的110V直流母线上，从而给控制单元供电并启动辅助逆变器和蓄电池充电机。启动时，DBPS先建立起小功率DC110V电源给充电机控制和驱动电路供电，充电机正常工作，DC110V输出建立，车辆DC110V母线由充电机供电和对蓄电池充电。
DBPS主要技术参数：
额定输入电压: DC1500V
输入电压范围: DC1000V-DC2000V
额定输出电压：DC100V±20%
额定输出容量：400W
5 并网供电说明
辅助电源系统的中压母线由并联的辅助逆变器供电，车辆设置3个中压母线接触器电路，中压母线贯穿于整列车给整列车的中压负载同时供电，母线接触器用于将辅助电源与中压母线隔离。正常情况时，母线接触器处于闭合状态并且所有的辅助电源处于并联供电模式；当发生母线短路故障时，母线接触器可以将短路母线隔离，确保至少有一台空压机可以工作。
5.1 中压母线接触器控制原理
中压母线接触器的控制逻辑，电路原理图如图2所示：
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图2 中压母线接触器控制逻辑
网络通讯正常时：
当TCMS发出一个闭合指令时，继电器K1线圈得电，K1辅助常开触头闭合，KMK1线圈得电，KMK1主触头吸和，同时KMK1辅助常开触头吸和，形成自锁，并给TCMS状态反馈信号。保证网络信号不稳定的情况下，KMK1保持吸和状态。
KMK1吸和后，要断开，必须有TCMS发出一个断开指令时，继电器K2线圈得电，K2辅助常闭触头断开，KMK1线圈失电，KMK1主触头断开，并给TCMS状态反馈信号。
网络瘫痪时：
在网络瘫痪时，辅助逆变器保持原有状态运行，若因网络误发一个断开指令，接触器KMK1将一直处于断开位置。
上述电路，只要网络发了断开指令，母线接触器将断开无法在吸和，吸和需要正常激活，重新上电。
5.2 并联供电控制说明
5.2.1 SIV与TCMS接口信号
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5.2.2 并联供电运行模式-正常
正常情况下, SIV由列车网络控制,并联供电为列车负载提供三相、单相交流电源。TCMS按顺序发送ACU Start（并网启动）至SIV，SIV自动锁相成功后完成并联供电。
正常启动的时序如下：
列车激活，TCMS启动，检测到任一SIV网压信号大于DC900V， TCMS闭合3个中压母线接触器。
DC1500V网压、DC110V控制电源正常时，4台SIV自启但输出负载接触器KMA断开，发送“ACU Internal OK”至TCMS。
TCMS收到至少一个“ACU Internal OK”信号，TCMS发出“ACU Start”（3s 脉宽）（默认向SIV1 发“ACU Start”，KMA负载接触器闭合），SIV 闭合KMA 后发“ACU Bus Active”至TCMS。
如果TCMS没有在7s内从SIV 1接收“ACU Bus Active”反馈信号，那么TCMS自动发送初始启动命令给ACU 2，如上循环。
TCMS收到“ACU Bus Active”后停止发送 “ACU Start”信号。
其它3台SIV自动同步交流母线电压完成并网 ，SIV 闭合KMA 后发“ACU Bus Active”至TCMS。
TCMS收到3个或以上“ACU Bus Active”信号时，负载不减载。
TCMS只收到2个“ACU Bus Active”时，减掉一半空调压缩机。
TCMS 只收到1个“ACU Bus Active”时，关闭所有空调压缩机，空调只具备通风功能。
5.2.3并联供电运行模式-故障
通讯故障
SIV与TCMS通信故障
SIV与TCMS通信故障时，SIV保持，母线接触器为闭合状态，网络默认SIV损失并进行相应负载减载。
当列车网络瘫痪，所有SIV处于保持状态，若网络误发母线接触器断开指令，各台SIV将一直处于隔离运行模式。
短路故障
如图1-1所示，列车设置中压母线接触器将中压母线分成四条支线。隔离接触器KMK1、KMK2、KMK3用于隔离短路支线。AC380V中压母线中发生短路故障时，TCMS负责短路定位和故障支线的隔离，ACU在该过程中应辅助TCMS。短路故障分别两种情形：
内部短路：短路位于SIV负载接触器前端。
外部短路：短路发生在本地支线，位于SIV负载接触器和母线隔离接触器之间。
当发生以上短路保护时，SIV自动保护停机，给出20OC故障信号，并撤销“ACU Bus Active”信号。
短路故障的运行时序如下：
当1台至3台SIV发生20OC时，负载母线上还有剩下的SIV正常输出(还有ACU Bus Active信号)，故障的SIV自动重启并网，重启尝试一次，如其中某台SIV继续发生20OC故障，则判断为内部短路，SIV锁定不自启动。
当4台SIV同时发生20OC故障时，表明有内部、外部短路（负载短路或母线短路）存在。发上述故障后，网络按照“正常启动逻辑”对SIV进行启动，并开始计时。在后续30s内判断是否有任何一台SIV送出“ACU Bus Active”信号，如果有则整车正常逻辑运行。如果超过30s，没有任何一台SIV送上“ACU Bus Active”信号，则判断为外部短路，并断开4个母线接触器。网络发送“independent power”给SIV按照“独立运行模式”运行。
4台SIV自动重启并网,并网成功，则表明短路负载已断开（短路消失）。
SIV自动恢复过程中，若其中某台SIV内部短路，则该SIV自动切除锁定，其他SIV正常启动并网，表明已切除的SIV存在内部短路。
SIV自动恢复过程中，若所有SIV都能正常启动（表明无SIV内部短路），4台SIV自动并网，如并网失败，所有SIV停机锁定。网络断开所有母线接触器，转为独立供电模式“independent power”，网络向SIV发送independent power指令。SIV复位重启。
6 结论
广州地铁13号线首期工程车辆辅助电源系统完全满足车辆的功能要求，其交流和直流输出容量及技术参数能够完全满足车辆列车空调、采暖、空压机组、列车照明、控制电路、电动车门、PIS系统、车载信号与通信设备等系统的需求。且4台辅助逆变器并网供电方式。对以后的并网供电研究具有重要意义。
参 考 文 献
1赵清良.城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展[J].机车电传动,2012
2奚华峰.地铁列车辅助电源系统的新方案设计[J].城市轨道交通，2012
3朱正暘.地铁辅助电源系统的设计指南[J].微型电脑应用.2013
论文作者:赵培培,王月丽, 葛文皓
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第19期
论文发表时间:2020/3/16
标签：母线论文; 接触器论文; 蓄电池论文; 电压论文; 列车论文; 逆变器论文; 负载论文; 《科学与技术》2019年第19期论文;