地鐵輔助供電系統

袁威 劉錫堯

摘 要：本文重點闡述了地鐵輔助供電系統電路結構，介紹了地鐵車輛靜止輔助系統的基本結構、供電模式、基本方案及原理，對輔助控制系統的原理及功能，主要逆變模塊絕緣柵雙極型晶體管IGBT模塊構成，進行了簡單介紹，同時也指出輔助系統的發展趨勢。

關鍵詞：地鐵車輛；輔助供電；蓄電池

目前，靜止輔助系統中采用的電力電子器件普遍采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT或IPM），IGBT器件屬于電壓驅動的全控型開關器件，脈沖開關頻率高，性能好，損耗小，且自保護能力也強，使用效果好，如將驅動與保護功能電封裝在模塊內，便構成智能功率模塊IPM。隨著電子器件的飛速發展，IGBT或IPM器件的電壓等級的提升，應用技術的成熟，完全可以滿足城軌交通供電網壓提升的需求。故輔助系統全控型開關器件控制已經進入了成熟的階段。

1.輔助設備布局

分散供電指的是每節車輛均配備一臺輔助供電裝置。如廣州地鐵一號線西門子設計車輛即采用分散供電，每節車均配備一臺DC/AC，共六臺，提供AC380V電源；在兩端帶有司機室的拖車各配備一臺DC/DC，共兩臺，提供DC110V電源。集中供電是整列車只采用兩套輔助供電裝置集中供電，互為冗余。西安地鐵二號線車輛采用這種方式，整列車配備兩套SIV靜止逆變單元，布置在兩端Tc車的車底，為整車提供輔助電源，設計時充分考慮了兩套互為冗余，當一臺發生故障時，余下的1套能承擔6輛車的基本負載并保證列車的正常運行。這兩種供電方式各有優缺點：分散供電冗余度大，均衡軸重好配置，但造價高，總重量也高，且由于分布點多，集成化程度差，易出現故障點較多，故障率高。集中供電冗余度小，每軸配重難以一致，但總重量輕，組成部件集中，模塊化程度高，故障率低，且成本低很多。

2.車輛輔助供電模式

當前供電模式主要有兩種，一種是交叉供電，兩路AC380V供電線路貫穿整列車，分別與2個輔助逆變器相連接。將每節車廂的交流負載根據功率平均分為兩組，分別由兩個輔助逆變器供電。對于牽引和輔助逆變器的冷卻風機等重要設備，兩個輔助逆變器均為其供電， 以便在一個逆變器故障時起到冗余的作用。一種是擴展供電，一路AC380V供電主干線貫穿整列車，2個輔助逆變器均連接到該線路上，但在其中的一個C車上安裝有一個接觸器，稱為擴展接觸器，將兩個輔助逆變器分斷， 以使其不會并網運行。當2個逆變器都工作正常時，則擴展接觸器處于斷開狀態，每個逆變器為本單元3節車的所有交流負載供電。當其中一個逆變器故障時，擴展接觸器閉合， 由狀態良好的逆變器為整列車的交流負載供電，考慮到逆變器的容量限制，這時每節車的空調負載要減載。從控制的角度來講，交叉供電要比擴展供電容易。在交叉供電時，因為每節車的負載連接在供電線路不同的逆變器上，所以當一個輔助逆變器SIV故障時，不需要控制電路做任何復雜的判斷和切換。而擴展供電模式控制相對比較復雜，需要在關鍵時間對擴展接觸器進行控制。從布線的角度來講，擴展供電要比交叉供電簡單。交叉供電需要在整列車上布設兩路三相四線制的列車線，共8根，而擴展供電只需要布設4根列車線，從數量上減少了一半，使得成本減少一半，線纜重量也減少了一半，尤其是對整列車的減重，擴展供電有明顯優勢。從滿足舒適度角度來講，擴展供電也有明顯的優勢。交叉供電模式在一個SIV故障時就只能有一半負載工作，而擴展供電可以最大限度的負載工作，客室里乘客乘坐的舒適度不會受到太大的影響。

3.輔助系統方案分類

3.1 AC380V靜止逆變

隨著電力電子器件發展，靜止輔助系統也經歷著不同方案的發展過程，目前，新型車輛輔助系統大都采用IGBT來構成，方案包括：斬波穩壓再逆變，加變壓器降壓隔離；三點式逆變器加變壓器降壓隔離；電容分壓兩路逆變，加隔離變壓器構成12脈沖方案；二點式逆變器加濾波器與變壓器降壓隔離；直——直變換與高頻變壓器隔離加逆變的方案。

3.2輔助直流電源轉換

基于上述三相交流靜止逆變的方案，輔助直流電源轉換方式有：通過50HZ隔離降壓變壓器來實現；獨立的直——直變換器直接接于供電網壓通過高頻變壓器隔離后再整流并濾波得到DC110V控制電源。這兩種方案，前者依賴于靜止輔助逆變器，一般是將輔助逆變器輸出的AC380V轉換成DC110V，其受逆變器故障的影響；后者與靜止逆變器無關，不受逆變器故障的影響，但因為需要獨立的直流電源，成本高。

3.3實例分析

某輛靜止輔助系統主要采用的二點式兩路逆變，加隔離變壓器構成12脈沖方案；經逆變隔離變壓后輸出的AC380V三相交流電，通過整流降壓，轉變為DC110V供列車控制系統及蓄電池充電使用。DC24V電源是由降壓整流輸出的DC110V，通過直流斬波裝置轉換成的。當僅有蓄電池供電時，DC110V/DC24V電源變換器能保證列車DC24V回路用電裝置的正常工作。 SIV的保護控制包括過電壓、欠電壓、缺相、過載、接地、過熱等。靜止逆變器SIV輸入電壓為額定電壓DC1500V；150%額定輸出時，裝置維持運行10秒后關斷；200%額定輸出時，裝置立即關斷。SIV本身產生的電磁輻射會受到抑制，不會影響司機室信號、有線及無線通信設備、牽引和制動控制系統等的正常工作，也不會影響各種線路設施的正常工作。同時能抵御外界的電磁干擾。

4.結束語

通過上述的論述，可以了解多元化的地鐵車輛輔助系統。各種方案的選擇情況還是因需而異，各有利弊。目前，地鐵車輛輔助系統國產化在國內正在進行，如株洲電力機車研究所為廣州地鐵一號線西門子車輛設計的DC/DC變換器使用效果很好，國產化的前景是開闊的，故應加強這方面實際應用的研究。

參考文獻：

[1]康亞慶.地鐵車輛輔助系統兩種供電網絡的分析.現代軌道交通，2012

[2]陶生桂.城市地鐵與輕軌車輛輔助系統綜述.電力機車技術，2013