地鐵輔助電源系統的設計指南

朱正暘，楊喜軍

0 引言

隨著電力電子技術的不斷革新以及在軌道交通行業新興技術的成熟運用，人們在環保方面的要求也越來越高，那種以煤炭為燃料，高碳排放的時代將逐步被淘汰，取而代之的是高效率高性能的電力電子設備。城軌列車的電源來源于城市軌道交通高壓電網，這就需要大量地運用電力電子變換技術，實現電能的高效轉換。針對城軌交通的供電網絡，其額定工作電壓主要有兩種：1500Vdc 和750Vdc。而車載電氣設備的主流供電等級為：110Vdc。這就需要相關的直流變換設備，既作為車載供電電源，又作為車載蓄電池充電機，來滿足緊湊型的設計需求。常規的車載蓄電池充電機通常采用三相交流電源供電方式，應用二極管進行不控整流器，現在這種傳統的方式依然在用。但是隨著故障率高等缺點的逐步暴露：充電性能差，影響蓄電池的使用壽命。以及對于城軌列車來講：此種蓄電池充電機是建立在靜止逆變器（SIV）作為前置輸入電路，一旦其在運營中出現故障，蓄電池充電機也將無法正常工作。所以，一種直接轉換直流電壓的DC/DC 變流器，并運用IGBT 開關以及PWM調制控制的新產品就非常有必要，其經濟價值、穩定性以及高效率也是得到了市場的認可。

本文主要介紹目前軌道交通行業最常規的輔助電源系統的設計理念以及在例行設計中組件的優化和需要考慮的因素，對于其電路拓撲，其主要的電路拓撲和模塊分為，如圖1所示：

1)輸入單元

2)輸入濾波單元

3)逆變單元

4)隔離變壓器單元

5)輸出濾波單元

6)輸出接觸器

7)蓄電池充電單元

8)控制單元

圖1 輔助電源系統總拓撲

1 電路拓撲

1.1 電源電路拓撲

輔助變流器電性能的要求取決于客戶要求的電氣和機械環境，其主要影響組件選型和輔助變流器的設計的因素如下：

1.1.1 輸入特性

輸入電源的類型（AC 或DC）；

預期的輸入電壓范圍；

功率因數校正需求（交流電源）；

輸入來源（城軌架空線或者三軌供電網）

1.1.2 輸出要求

輸出電源的類型和數量（AC 或DC）；

連續輸出額定功率；

輸出功率浪涌額定值（交流輸出）；

電池充電器獨立控制需求性；

電氣隔離性需求

1.1.3 系統要求

重量性需求（高頻橋路或強制風冷）；

軌道信號系統特殊需求性（影響橋路、逆變器、電池充電器電路的開關頻率，輸入濾波器）；

機械條件限制（強迫風冷，散熱總成）；

冗余的要求（可靠性要求，在實際地鐵的運營中，某些故障，不允許影響正常的運營需求）

1.2 系統輸入級

對于所有直接連接到供電線路的輔助變流器，建議使用帶輸入濾波單元（電抗器和電容器）的預充電電路，以便在承受瞬時沖擊電流和線路瞬變時限制IGBT 和電容器的端電壓。如果采用直接連接到牽引電路，在設計時，必須采用去耦電感來抑制兩個濾波單元之間的振蕩現象。

對于 750Vdc 三軌供電系統，逆變器和蓄電池充電器電路可直接連接到濾波器輸出。

某些情況下，對于重量有嚴格限制的750Vdc 和1500Vdc 系統，可使用高頻變流器連接到輸入濾波器，生成隔離的固定線路電壓，為逆變器和蓄電池充電器充電，這種方式，即考慮到取消輔助電源系統的隔離變壓器，從而減小重量。

對于輸入濾波單元，即考慮電抗器的感抗和電容器的容抗數值，必須考慮以下方面：

EMC 要求（線路中生成的諧波）；

輸入電路阻抗（如果具有感抗限制的要求）；

共振頻率（電路是否會以電路中其他部件使用的頻率產生共振）；

線路瞬變時輸入電路組件的電壓；

緊急關閉時電壓過沖；

輸入濾波器電容器的電壓紋波和閾值；

輸入濾波器電感器的飽和曲線（電感器飽和時，是否會存在負載瞬變問題）；

濾波器電容器的 RMS 電流；

不同輔助功能可能使用相同的輸入濾波器；

1.3 輸入變流器（如果必要）

通常在軌道交通輔助系統中的變換器有三種類型：

DC/DC 變流器；

降壓斬波器；

PMCF 變換器；

本文主要討論的為軌道交通系統中，最常見的DC/DC 變流器。其DC/DC 變換器的最主要組成部分如下：

高頻橋路；

隔離變壓器；

輸出二極管；

輸出濾波電感

對于高頻橋路的設計中，其主要的影響和考慮因素如下：

額定功率（對于IGBT 開關元件的電壓和電流以及連續值和浪涌值）；

額定電壓；

冷卻方式（強迫、自然風冷或者水冷）；

散熱器的大小（散熱效率和維護要求）；

開關頻率（軌道電路和車輛整體EMC 限制）

對于隔離變壓器，在選型和設計時，其主要影響和考慮因素如下：

額定功率；

繞組線比（線電壓和所需電壓）；

開關頻率；

噪音要求（頻率噪聲）；

對于輸出二極管，其主要的影響因素如下：

額定功率（電壓和電流，連續和浪涌）；

冷卻方式（散熱器配合）；

開關頻率；

是否需要緩沖組件；

對于線路濾波電抗器，其主要的設計影響因素如下：

額定電流（連續和浪涌）；

耐熱性能；

絕緣性能

1.4 逆變單元

在逆變器電路設計中，隔離變壓器并不是必須的（取決于是否使用高頻變流器或電氣隔離要求，或者取決于輸入/輸出電壓）。

如果逆變器電路的輸入電壓較低 (400V– 500Vdc)且 AC 輸出電壓要求為 400Vph-ph，則必須要有升壓變壓器。

對于 750Vdc 系統，可直接將逆變器和蓄電池充電器作為輸出級。

如果逆變器的輸入電壓較高 (1500V-1800V DC)，則必須要有輸出濾波器（降低應用到負載的峰值電壓）。輸出電壓器可提供電氣隔離，必要時，可降低逆變器的電流

對于逆變電路的影響和考慮因素如下：

額定功率（電壓和電流，連續和浪涌）；

開關頻率（EMC 要求和散熱損失）；

冷卻方式；

散熱器的大小；

電容值（與濾波電抗器共同組成濾波單元）；

負載的啟動特性和啟動順序；

對于輸入濾波單元的設計時，主要考慮的影響因素如下：

交流輸出電壓失真度（感抗和容抗值）；

額定功率（連續和浪涌情況的飽和）；

電抗器和電容器的諧波電流；

對于輸出變壓器的設計時，主要考慮的影響因素如下：

額定功率（連續和浪涌）；

繞組匝數比；

泄漏電感；

諧波電流

1.5 充電機電路

蓄電池充電器電路可以是使用全橋電橋受控電路，或者是三相整流器電路連接到三相輸出形成的電路。第二個選項的控制方法可以是控制 DC 輸出，然后 AC 輸出保持在所有負載和線路電壓條件范圍內。在某些情況下，當輸入電源已隔離時，可使用降壓斬波器。

對于充電機的橋式電路設計的主要影響因素如下：

額定功率（電壓和電流，連續和浪涌）；

開關頻率（EMC 要求和散熱器損耗）；

冷卻方式；

散熱片的大小；

電容值（濾波單元）；

對于充電機單元中的輸入變壓器設計的主要影響因素如下：

額定功率（連續和浪涌額定值）；

繞組匝數比；

漏點感；

諧波電流；

對于充電機的濾波單元設計的主要影響因素如下：

DC 輸出電壓和電流紋波的要求（電感器和電容器的值）；

額定功率（連續額定電流和浪涌負載時飽和特性）

2 輸入電路

對于直接從線路電壓供電時，通常需要相關的輸入電路（例如：圖2：預充電電路）。如果連接到牽引濾波器，則不要相應的預充電和線路電抗器，如圖2所示：

圖2 預充電電路拓撲

2.1 預充電電路

對于輸入電路中，常常配備主接觸器和預充電接觸器，其設計原則在于：

額定電壓（這通常指輸入的最大預期電壓）；

分斷電流；

閉合電流；

線圈電壓；

輔助觸頭；

對于預充電電阻的設計標準是：電阻值。這取決于輸入電路的后置電路中的濾波電容，其端電壓的上升時間，需要通過阻容特性來匹配。

在此，舉一個典型的例子，來說明對于預充電電阻的工作情況。對于電壓上升，如圖3所示：

圖3 預充電電壓升壓特性

2.2 輸入濾波電抗器

對于輸入級電路，線路電抗器和線路電容器共同組成了輸入濾波器。電感器的標稱值可能取決于系統的某些要求。例如，輸入阻抗的限制或信號系統的要求。

如果客戶對輸入濾波器沒有約束條件，則建議值應保證輸入濾波器的共振頻率低于100Hz。這是因為逆變器輸出電路的頻率通常為50Hz。交流負載的失衡可導致輸入過濾器電容器產生100Hz的紋波，如果輸入濾波器的共振頻率接近100Hz，則輸出紋波會被放大。

同時也應考慮電感器的飽和特性。如果輸入存在線路瞬變，則輸入電流會增加，然后電感器飽和。這樣，電容器的電壓過大。如果電感器因負載沖擊而飽和，則變流器會信號干涉問題。飽和特性需要在相關浪涌和沖擊額定功率的最低線路電壓下進行考慮。

熱電流來自持續運行的額定功率和最低線路電壓（作為指導，建議低于額定線路電壓的 20%），考慮電感器熱時間常數。

3 電壓源逆變器

3.1 基本原理

電壓源逆變器將 輸入DC 電壓切換為交流輸出電壓，方法是使用合適的開關控制策略，通過兩個開關將 AC 輸出端子如圖4所示：

圖4 橋臂調制圖示

連接到 D 正極和DC 負極輸入。輸出在+Vs/2–Vs/2 之間有效切換，且切換模式按照所需頻率合成準正弦電壓。未通過濾波的輸出電壓包括基波電壓和諧波成份。

分離 DC 電源，以顯示 pseudo-0V。如果如圖4所示切換正極和負極，則分析輸出波形更容易。對于實際逆變器電路，開關將為帶反并聯二極管的功率半導體開關（IGBT 或 GTO）。由于上下橋臂的開關并非理想開關，因此一個開關關斷、另一個開關導通之間設置死區時間，由于軌道電路對于諧波電壓的限制，所以對于死區時間也有相應的限制。三相逆變器是指三個逆變器臂，這三個臂為選通脈沖模式，相角與基波相互差120 度。

3.2 開關控制策略

對于輔助逆變器開關策略和形式的選擇和設定，基于以下幾個設計要求：

交流電壓諧波的低失真；

功率開關的低損失；

輸出濾波器的輕量化要求；

濾波電抗的低噪聲要求；

最大的交流基波頻率要求；

半導體元件的優化結點溫度（最大紋波情況）

3.3 自然采樣的調制

在微處理器控制發展之前，自然采樣調制策略是使用模擬電路生成 3 相逆變器 PWM 波形的唯一實用的方法。現在，它仍然是生成輔助逆變器正弦波形的最常用的調制方法，使用更精確的方法可使用微處理器合成波形。這可通過可變幅值的三角波形和正弦波的比較而實現。基波頻率分量的幅度通過正弦信號幅度的變化而進行控制，如圖5所示：

圖5 自然采樣策略

波形，為逆變單元一個橋臂所生成的PWM 波形。對于其他兩個橋臂的正弦波波形相同，而相位分別滯后120°和240°。

3.4 計算的角度調制

這種控制逆變器輸出交流電壓的方法的原理是低次諧波可通過選擇合適的導通角完全消除。這種生成選通信號的方法取決于現代電子控制器儲存和調用導通角所需的數據的能力。

消除低次諧波的目的旨在優化輸出濾波器設計（因為低頻需要最多衰減，因此濾波器分量最大）以及降低開關頻率，因此減少半導體損耗。

此技術的另外一個優點是通過特定的Vs 數值來達到一個較高的交流輸出電壓，并且配備相應的隔離變壓器，同等負載需求的情況下，可以有效的降低逆變器的輸出電流，因而來降低電路損耗。

這些優點看起來很好，似乎與自然采樣相比，顯然是更好的切換策略。然而，也存在一些負面情況。其中一個就是未進行消諧的諧波電壓高出很多，特別是交流電壓處于控制狀態且“調制度”較低時。

消除的諧波數等于所需的切換角度數；

如果需要交流電壓控制，則額外需要角度。

3.5 開關頻率的選擇

使用同步自然采樣PWM 時，為了優化交流輸出諧波譜，先定義一個數值mf=fs/f0，mf的選擇為 3+6n,n=1,2,3,4,5,6……，即mf 為3的整數倍。AC 線路輸出電壓的主導諧波為 mf+/-2、2mf +/-1 和2mf +/-3。調制電平降低時，主導諧波 mf+/-2 幅度增加，因此濾波器設計必須基于最大 DC 鏈路電壓條件。

最大交流基波頻率輸出電壓有效值為0.61xDC 鏈路電壓。

最小關閉時間會限制實際最大基波頻率交流輸出。mf的值越高，最大輸出電壓下降得越多。

死區可產生 5 和 7 諧波。注意接近這些頻率的輸出濾波器會引起共振。

3.6 逆變器輸出濾波器

輸出濾波器組件為三相濾波器電感器和電容器。

如果無需輸出隔離變壓器，但需要輸出中性點，則電容器的連接必須為星型結構（星點為中性連接），如圖6所示：

圖6 無變壓器三相輸出拓撲

然而，如果單相額定功率>2kVA，則建議使用單獨的靜電平衡器，以便提供獨立的中性連接，確保單相負載在三相上均等分布。此外，諧波失真與線路間電壓相同。

缺點是對于特定尺寸的電容器殼體，電容量較少。而且，這種星形排列也需要額外的放電電阻器才能確保變流器斷電時，每個電容器元件有效放電。

如果需要隔離變壓器，則優化配置其中變壓器可提供中性點（如需要），如圖7所示：

圖7 帶變壓器三相輸出拓撲

特定箱體尺寸的電容量值更大。電感器和電容器的值由逆變器開關頻率和輸出交流電壓畸變要求而決定。濾波器輸入和輸出的典型電壓波形，如圖8，圖9所示：

圖8 典型逆變器PWM 調制波形

圖9 典型逆變器濾波波形

濾波器的電氣性能要求取決于失真程度的要求，影響分量值和濾波器性能的因素如下包括：

預期線路（或鏈路）電壓范圍；

逆變器切換模式和頻率；

失真度限制；

應用到 AC 輸出的負載；

異步電機通過其等效短路阻抗增加濾波器的有效共振頻率；

二極管整流器產生大量低次諧波（特別是三相整流橋的 5 和7 諧波）；

濾波器電感器壓降；

變壓器壓降

線路電壓范圍以及逆變器 PWM 調制指數決定濾波器的切換脈沖模式。

通常情況下，最大調制和最小調制之間的失真存在一些差異。例如，對于750μH 感抗值和 100μf 容抗值以及 1350Hz 開關頻率，可以看到相同負載和輸出電壓下不同的失真值：

400V 線路（0.86 調制）時為 6.7%；

750V 線路（0.47 調制）時為 5.3%；

1000V 線路（0.36 調制）時為 4.0%

如果濾波器分量的值相同，則逆變器的開關頻率越高，失真越低。例如，750μH 電感和 100μf 電容時，可以看到如下失真值：

750Hz 開關頻率（15 個脈沖）時為 9.4%；

1350Hz 開關頻率（27 個脈沖）時為 4.3%

開關頻率主要受逆變器設備的性能以及逆變器散熱器總成損耗的限制。必須考慮電感器的壓降，特別是考慮瞬間額定功率時。輸出電壓必須維持最低線路電壓和最大可用調制。在此設計階段，建議使用向量分析。例如，配置如下時：電容器 250μF；線路電壓450V；調制指數 0.95；開關頻率 1350Hz；如表1所示：

表1 電抗器的感值和阻值影響

對于空心電抗器，線圈數量越多，感抗值越大相應的阻抗值也越大，損耗也越大，進而影響了輸出電壓。

400Vrms 50Hz 時的負載為 100kVA 0.5p.f.（負載電感器=4.41mH，電阻器=0.8Ω）

同時，也需要考慮變壓器的壓降（電阻和漏電感），尤其是特別是考慮瞬間額定功率時。輸出電壓必須維持最低線路電壓和最大可用調制。例如，配置如下時：濾波器電容器250μF;濾波器電感器300μH；線路電壓500V；調制指數 0.95；開關頻率 1050Hz；如表2所示：

表2 變壓器參數影響

415Vrms 50Hz 時的負載為 125kVA 0.5p.f.（負載電感器=3.81mH，電阻器=0.69Ω），如圖10所示：

圖10 變壓器電路模型

3.7 輸出變壓器

交流輸出變壓器的設計要求如下：

匝數比（從逆變器和濾波器預期輸出到所需的 AC 輸出）。最小線路電壓和最大負載條件需檢查匝數比；

額定功率。確保持續和瞬間額定功率（功率、持續時間和功率因素）公布；

初級和次級電阻值。這需要進行指定，確保優化輔助變流器系統的效率；

漏電感值。這需要進行指定，因為如果樓電感壓降過大，在所有負載和線路電壓條件下都無法維持 AC 輸出電壓；

要公布初級和次級電流的諧波量，因為這會影響變壓器的設計；

中性點要求；

隔離要求；

連接點要求（電纜、接線盒、跨線）

4 蓄電池充電機電路

蓄電池充電器電路通常為全橋或半橋電路。全橋電路用于高功率應用 (>15kW)，保持較低的 IGBT 電流和隔離變壓器電流。然而，相對于半橋電路，此電路需要更多的 IGBT 門驅動，且對失衡（DC 分量）更敏感。此控制策略對兩種電路（半橋或全橋）都相同。

輸出變壓器的設計要求如下：

匝數比。最小線路電壓和最大負載條件需檢查匝數比。需考慮濾波器和輸出二極管的壓降；

額定功率。確保最大持續功率公布；

初級和次級電阻值。這需要進行指定，確保優化輔助變流器系統的效率；

漏電感值。這需要進行指定，因為如果樓電感壓降過大，在所有負載和線路電壓條件下都無法維持 DC 輸出電壓；

電流強度磁化可避免變壓器因失衡而通過小 DC 電流而飽和；

初級和次級電流的諧波量，會影響變壓器的設計；

隔離要求；

連接點要求（電纜、接線盒、跨線）；

典型的DC 輸出濾波器電路，如圖11～15所示：

圖11 全橋電路

圖12 半橋電路

圖13 三相整流器電路

圖14 不控二極管整流電路的輸入和輸出波形

圖15 受控半橋電路的輸出波形

4.1 蓄電池充電機輸出濾波電路

濾波器的電氣性能要求取決于客戶對紋波的要求，影響分量值和濾波器性能的因素如下：

預期線路（或鏈路）電壓范圍；

蓄電池充電器切換模式和頻率；

客戶的紋波要求；

應用到 DC 輸出的負載；

濾波器電感器壓降；

變壓器壓降

線路電壓以及蓄電池充電器 PWM“接通持續時間”決定濾波器的切換脈沖模式。

最大紋波在最大線路（鏈路）電壓時獲取（考慮恒定輸出電壓）。

例如，對于250μH 電感30μF 電容以及3kHz 開關頻率，可以看到相同負載和輸出電壓的以下紋波值：

500V 線路（92%持續接通時間）時為0.4Vp-p；

750V 線路（56%持續接通時間）時為0.6Vp-p；

1000V 線路（22%持續接通時間）時為0.7V p-p

如果濾波器分量的值相同，則電橋的開關頻率越高，紋波越低。例如，為半橋配置、500H 電感和 30mF 電容時，可見紋波值分別為：

1kHz 開關頻率時為 0.87V p-p；

3kHz 開關頻率時為 0.29V p-p；

6kHz 開關頻率時為 0.14V p-p

正確的紋波計算需考慮輸出濾波器電容器阻抗（包括串聯電阻和雜散電感）。必須特別注意最靠近電容器端子的輸出端子的連接，以便減少雜散電感對紋波的影響，特別是開關頻率高、但輸出電壓低時更是如此。開關頻率值主要依賴逆變器設備的性能以及蓄電池充電器散熱器總成損耗的限制。必須考慮電感器壓降，需要特別考慮瞬間額定功率引起的電感壓降。輸出電壓必須維持最低線路電壓和最大可用調制。例如，配置如下時：電容器 30mF；線路電壓450V；90% 持續接通時間；半橋電路開關頻率 3kHz；110V DC 時負載 30kW。注意到輸出電壓的影響，如表3所示：

表3 電抗器的電感與電阻的影響

同時，也需要考慮變壓器的壓降（電阻和漏電感），尤其特別考慮瞬間額定功率情況。輸出電壓必須維持最低線路電壓和最大可用調制。例如，配置如下時：濾波器電容器 30mF；濾波器電感器500μH；線路電壓 450V；90% 持續接通時間；開關頻率 3kHz。110V DC 時負載 30kW 可以得到區分出電壓以及紋波系數的影響，如表4所示：

表4 變壓器參數的影響

5 總結

隨著對于軌道交通行業的輔助供電系統的越來越多樣化的功能需求以及技術革新與可靠性要求的矛盾性日益凸顯,對于平臺化設計的需求：模塊化、信息化、網絡化、高頻化是其特點,高效、輕量、小型化、低成本則是發展趨勢和目標。基于原有技術平臺上的開發將越來越多。本文只是對于輔助電源系統的設計，提出了相關的設計考慮和建議。實際的平臺化設計，還需要在以后的細化設計、研發、改進時，進一步總結梳理，力求研發一種新平臺，能真正滿足國內軌道交通行業的綜合化需求。

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