地铁列车辅助电源系统的新方案设计

奚华峰 王爱武

(南车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，高级工程师)

地铁列车辅助电源系统提供列车冷却系统、空调、空气压缩机、照明等设备的正常供电。随着地铁列车对舒适性要求的提高，这些设备的使用越来越多，从而使得辅助逆变电源的容量也越来越大。本文将对辅助逆变电源的容量进行简单的分析，并提出一种新的辅助电源系统方案。

1 通用辅助电源系统介绍

1.1 Alstom地铁列车辅助电源系统

Alstom设计的地铁列车一般都采用集中辅助电源供电。以6辆编组列车为例，在2个头车上分别设置1个大功率的辅助逆变电源(SIV)，列车上的电源配置采用交叉供电方式。

1.1.1 SIV 的技术参数

1)额定输入电压为DC 1 500 V。

2)输入电源特性符合IEC 60850。

3)额定负载效率＞90%。

4)交流电输出特性:

·相数为3相4线;

·额定输出电压为AC 400(1±5%)V;

·输出电压波形近似正弦波;

·额定输出频率为50(1±1%)Hz;

·谐波电压失真范围＜10%;

·额定输出容量为230 kVA，cosφ=0.85(φ为相位角);

·最大输出容量为345 kVA，cosφ=0.70。

5)直流电输出特性:

·额定电压为DC 110 V;

·额定容量为22 kW(20℃);

·输出纹波电压＜2%额定电压。

6)噪声＜70 dB(A)(1 m内)。

7)工作温度为－20～+40℃。

1.1.2 列车配电框图

交、直流负载的配电分别如图1、2所示。

图1 Alstom辅助电源系统交流负载配电框图

图2 Alstom辅助电源系统直流负载配电框图

1.2 Siemens地铁列车辅助电源系统

Siemens设计的地铁列车一般都采用分散式布置、并网用电的辅助电源供电方式。以6辆编组列车为例，在每辆车上均设置1个SIV，头车的SIV含有直流输出和充电功能。

1.2.1 SIV 的技术参数

1)额定输入电压为DC 1 500 V。

2)输入电源特性符合IEC 60850。

3)额定负载效率＞90%。

4)3相交流电输出特性:

·相数为3相3线;

·额定输出电压为AC 380(1±5%)V;

·输出电压波形近似正弦波;

·额定输出频率为50(1±1%)Hz;

·谐波电压失真范围＜5%;

·额定输出容量为73 kVA，cosφ=0.85。

5)直流电输出特性:

·额定电压为DC 110 V;

·额定容量为20 kW;

·输出纹波电压＜2%额定电压;

6)噪声＜71.5 dB(A)(1 m内)。

1.2.2 列车配电框图

交、直流负载的配电分别如图3、4所示。

图3 Siemens辅助电源系统交流负载配电框图

图4 Siemens辅助电源系统直流负载配电框图

1.3 优劣分析

虽然上述两家公司的两种电源配置有所不同，但每个SIV都是采用一组逆变模块，形成一个整体的供电电源再给车载用电设备供电，所以都存在以下的优缺点。

1.3.1 优点

1)辅助逆变器设备简单，有利于供电系统控制方案的解决。辅助变流器在得到DC 1 500 V和DC 110 V电流的输入后就开始启动，并输出AC 380 V电源，无需配电方面的控制，所以控制接口非常简单。

2)配电电路结构简单。对于辅助变电器来讲，主要的输入、输出线路有DC 1 500 V、DC 110 V、AC 380 V电源线及很少的控制线，其配电电路和控制接口非常简单。

1.3.2 缺点

1)辅助逆变器功率大，损耗也大。辅助逆变器的功率是根据极端情况下的最大负载来设置的，实际正常使用的辅助逆变器工作容量仅在30%以下，在额定功率附近逆变电源工作效率是最高的(包括与之配套的电感、隔离变压器等设备均如此)。所以，辅助逆变器实际使用的功率损耗是很大的，非常不经济。

2)无法实现用电设备所需的变频启动和控制要求。空调压缩机、空气压缩机等设备的启动电流非常大，很适合用变频启动的方式来控制。但是，这种辅助逆变器同时还得给其它负载供电，故无法实现变频启动，同时这些空调压缩机、空气压缩机等设备负载的启动电流会对辅助逆变器造成损伤。

2 新的辅助电源系统方案

地铁列车AV 380 V用电负载的情况分析见表1所示。

表1 地铁列车AC 380 V负载统计表

地铁列车中的AC 380 V负载大量是电机类的感性负载，若采用恒压电压，负载投入时对辅助逆变器的冲击很大。特别是在大负载时空气压缩机的启动，对辅助逆变器会产生很大的冲击。所以，可以根据负载的容量大小将负载分为两类:一类是空调压缩机和空气压缩机，可以采用独立的辅助逆变模块单独供电，并可实现变频启动;另一类是冷却风机等，采用恒压供电，并将整列车的AC 380 V并网供电，以提高冗余性。下面对新拟的辅助电源系统方案进行描述。

2.1 供电网络方案

如图5所示，为一个单元(3节车辆)的情况，单元之间对称分布。每节车配置一台SIV。SIV由标准模块组成，主要有:

1)带电压隔离的前端DC/DC模块;

2)直流110 V负载供电的负载DC/DC模块;

图5 新的辅助电源系统拓扑结构

3)标准的负载DC/AC模块。

根据不同的负载情况配置每节车的SIV:头车SIV由前端DC/DC模块、供DC 110 V负载的负载DC/DC模块、供空调压缩机的负载DC/AC模块、供空气压缩机的负载DC/AC模块和供其他稳压负载的负载DC/AC模块等组成，供空调压缩机的负载DC/AC模块还可以给空气压缩机做冗余;中间车SIV比较简单，由前端DC/DC模块、供空调压缩机的负载DC/AC模块和供其他稳压负载的负载DC/AC模块等组成。供其他稳压负载的负载DC/AC模块输出采用全列车并联的方式，提高了整列车的冗余性。

2.2 前端DC/DC模块方案

一般要求整个中压回路和高压回路隔离，所以该模块采用隔离变压器隔离的高频降压电路设计。整个电路由高压检测、输入滤波、预充电回路、支撑电容、逆变回路、隔离变压、整流滤波等部分组成。前段DC/DC模块原理如图6所示。

图6 前端DC/DC模块原理图

2.3 负载DC/DC模块方案

负载DC/DC模块的输出主要给DC 110 V负载和蓄电池充电。由于前端模块已考虑隔离，所以该模块电路采用结构简单的BUCK电路就能实现功能(见图7)。

图7 负载DC/DC模块原理图

2.4 负载DC/AC模块方案

该模块采用简单的逆变电路(如图8所示)。在给空调压缩机或空气压缩机供电时采用变频变压控制，实现软启动和空调的变频调节;在作为稳压电源输出时，对电压波形的要求较高，所以在其输出端增加滤波环节(如图9所示)。

图8 负载DC/AC模块原理图

2.5 优缺点

该新拟的辅助电源系统有以下优点:

图9 负载DC/AC模块(带滤波)原理图

1)可以根据项目的需要搭建不同的SIV配置，能更好地优化SIV的功能;

2)针对空气压缩机可以实现软启动，降低电网谐波和冲击;

3)针对空调压缩机可以实现软启动和变频控制，并不受空气压缩机启动的影响;

4)空调压缩机可以实现连续工作，也不需要为了降低噪声而在车站停止工作;

5)空调压缩机电源和空气压缩机电源可实现互为冗余，提高了系统的可靠性;

6)SIV统一由前端DC/DC模块进行处理，可以减少电网谐波、提高电网品质;

7)该系统采用模块化和标准化设计，提高了系统的可维护性，并降低了系统的全寿命周期费用。

但该新拟的辅助电源系统有以下缺点:

1)该系统采用二级变流技术，整体控制比较复杂;

2)由于独立模块对应负载，使得系统的动力电缆的数量较多。

3 结语

地铁列车上的设备越来越多，所需的电源容量总量越来越大，但是负载的使用率却不是很高，为了保证极端情况下的用电能力，所以辅助电源系统和SIV的容量越做越大，不利于能量的合理利用和电源品质的提高。本文提出的电源系统方案有针对性地将负载分类，合理地配置负载电源，能很好地解决这些问题，以起到节能低碳的效果。当然，本文提出的设计方案还有待实践的检验。

［1］ 李网生，陈爱林，芮国强，等.地铁车辆辅助电源的设计［J］.机车电传动，2009(3):51.

［2］ 王鑫，赵清良.北京地铁国产列车辅助电源系统及其改进［J］.机车车辆工艺，2007(2):26.

［3］ 陈亚爱，李卫海.同步Buck变换器的控制技术综述［J］.电气应用，2010(8):32.