淺析廣佛線地鐵車輛輔助供電系統

胡正偉，焦芳芳

（唐山軌道客車有限責任公司 產品技術研究中心，河北唐山063035）

地鐵與輕軌

淺析廣佛線地鐵車輛輔助供電系統

胡正偉，焦芳芳

（唐山軌道客車有限責任公司 產品技術研究中心，河北唐山063035）

介紹了應用于廣佛線的輔助供電系統，闡述了列車主電路、輔助供電系統的組成、輔助供電系統的輸出電路及輔助供電系統的控制原理，并簡要分析了輔助供電系統的性能。

地鐵車輛；輔助供電系統；電池充電機；控制原理

珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段（以下簡稱廣佛線），以佛山市魁奇路站為起點，廣州市瀝滘站為終點，線路全長32.16 km，均為地下線路。佛山市境內14.797 km，廣州市境內17.363 km。全線采用直流1 500 V接觸網供電方式，輔助供電系統由西門子公司提供，經運營測試，整個輔助供電系統成熟、安全可靠，充分滿足廣佛線列車的正常運營條件。本文針對廣佛線輔助供電系統進行詳細分析。

1 列車主電路

廣佛線地鐵車輛采用4節編組，2動2拖，車輛編組方式為：－Tc＋Mp＋Mp＋Tc－，其中：Tc車為帶司機室的拖車，Mp車為帶受電弓的動車；“－”為全自動車鉤，“＋”為半永久牽引桿。整列車分為兩個對稱的牽引單元，本文以一個牽引單位為例，對列車主電路進行分析，其主電路如圖1所示。

列車主電路由受電弓、避雷器、高壓箱、牽引逆變器箱、輔助逆變器箱、制動電阻箱、牽引電機、車間電源箱等設備組成。

每個高壓箱中均裝有一把3位閘刀開關，該閘刀開關可以在受電弓位、接地位和車間電源供電位3個模式下進行切換。車間電源供電與受電弓供電之間設置聯鎖，以保證整列車任何時候只有一種供電方式。另外，只有兩單元處于車間位，車間電源才能供電。輸入電源電路各電氣部件在閘刀開關不同工作模式下的狀態如表1所示。

圖1 列車主電路

當閘刀開關處于受電弓位時，列車通過受電弓將接觸網中1 500 V直流電接入列車，再通過高壓箱保護設備接入牽引逆變器箱和輔助逆變器箱。DC1500 V電壓經由高速斷路器輸入牽引逆變器系統，將直流電逆變為三相變壓變頻交流電壓提供給牽引電機，通過牽引電機的聯軸器與動軸連接驅動整列車行進；DC 1 500 V電壓經由熔斷器F1和F2為輔助供電系統提供工作電源，以給車上交流負載和直流負載提供工作電源。當一架受電弓故障時，可以對該受電弓進行切除，通過另一個牽引單元的受電弓為整車進行受電，以保證列車的正常運行。

表1 各電氣部件在不同模式下的狀態

當閘刀開關處于接地位時，牽引逆變器系統和輔助供電系統均被切除，此種工作模式可以保證在安全狀態下對列車進行電氣維護。

當閘刀開關處于車間電源供電位時，閘刀開關將輔助供電系統與車間供電電源插座連接起來，使DC 1 500 V車間電源為輔助供電系統提供工作電壓。牽引逆變器系統在此種工作模式下不得電。

在對3位閘刀開關進行模式轉換時，不能直接切斷高壓電流。在轉動接地/隔離開關之前，主電路必須被接觸器斷開。隔離開關配有人工操作的閉鎖。在手動切換隔離開關至另一位置前，需要進行手動解鎖。一旦該閉鎖被手動操作，裝在隔離開關上的微型輔助開關將閉合其觸點。這個觸點被連接到一個控制電路中，該控制電路能在操作接地/隔離開關前斷開主電路。

2 輔助供電系統的組成

輔助供電系統由輸入電路、PWMI（Pulse-Width Modulated Inverter：脈寬調制型逆變器）模塊、輸出電路、控制模塊及電池充電機等組成。輔助供電系統的原理框圖如圖2所示，以下對輔助供電系統各子模塊進行逐一分析。

2.1 輸入電路

輸入電路主要由輸入熔斷器、輸入濾波器、主接觸器及預充電電路等組成。輸入熔斷器是在后極電路過載或短路的情況下快速斷開電源的一種安全裝置，APS1的輸入熔斷器保護電流為160 A，APS2的輸入熔斷器保護電流為100 A。輸入濾波器類型為EMC（Electromagnitic Compatibility：電磁兼容）濾波器，由4個濾波電容和一個環形濾波電感組成低通共模抑制電路，能夠有效的濾除前極電路引入的共模高頻干擾信號。主接觸器和預充電電路為輔助供電系統提供穩定的工作電源。

圖2 輔助供電系統框圖

2.2 PWMI模塊

輸入電路提供的穩定DC 1 500 V電壓接入PWMI模塊，經三相逆變生成的脈寬調制3AC 380 V通過輸出變壓器轉變為可用的正弦波送到輸出電路。PWMI模塊框圖如圖3所示。

PWMI模塊包括一個受控三相電橋，該電橋將來自輸入電路的DC 1 500 V電壓變為三相脈沖調寬（PWM）的3AC 380 V輸出電壓。由于采用并聯輸出，脈寬調制逆變器以固定頻率模式工作。受控三相電橋安裝在一個散熱器上，上面安裝有IGBT（Insulated Gate Bipolar Trausistor：絕緣柵雙極型晶體管）開關管、二極管、DC連接電容器和驅動板。主控制器產生的驅動信號接入驅動板，進而控制IGBT三相電橋產生脈寬調制3AC 380 V輸出電壓。DC電容前二極管用來防止IGBT關斷瞬間輸出變壓器自感電動勢反加到直流環節造成電源污染。

圖3 PWMI模塊框圖

2.3 輸出電路

輸出電路主要由輸出變壓器、正弦濾波器、輸出接觸器和輸出熔斷器等組成。由輸出變壓器輸出的3AC 380 V電壓經過正弦濾波器后，通過輸出接觸器和輸出熔斷器由輸出至380 V母線給三相交流負載供電。正弦濾波器安裝在變頻器的輸出側與電機之間，減小輸出電流中的高次諧波成分，抑制變頻器輸出側的浪涌電壓，減小電機由高頻諧波引起的附加轉矩，減小電機噪聲。在輔助逆變器正常工作時，當檢測PWMI輸出電壓與380 V母線電壓同相同頻后，輸出接觸器閉合，使輔助逆變器輸出與母線同步的3AC 380 V電壓。輸出熔斷器對交流負載提供過壓、過流保護。

2.4 控制模塊

控制模塊主要包括SIBCOS－M2500型主控制器、SIBCOS－M2000型模塊控制器和二進制輸入和輸出的SIBCOS－M9000 CAN節點。控制模塊負責全面系統控制與上級控制通信以及不同類型功率變流器的控制和調節，如果檢測到任何故障情況，將關閉輔助逆變器，通過專用的硬件電路和軟件程序在冗余等級上執行監控。控制模塊包括負責與所有控制級別通信的MVB接口、用于診斷服務與外部PC建立連接的RS232接口。控制模塊框圖如圖4所示。

圖4 控制模塊框圖

SIBCOS－M2500控制器為主控制器和模塊控制器的組合。該控制器配備16條IGBT控制信道、14條IGBT反饋輸入以及8條數字輸入和4條數字輸出。SIBCOS－M2500控制器配有兩個微處理器。其中一個執行輔助逆變器的所有控制和診斷功能，包括傳感器信號評估、電壓和電流控制、順序控制和標準監控功能，該處理器也控制產生IGBT起始脈沖的可編程邏輯電路；第二個處理器用于特殊的獨立檢測功能，如干擾電流監控，也可用于冗余處理安全相關控制信號。

SIBCOS－M2000控制器集成在模塊中，能控制電池充電機。該控制模塊擁有11個IGBT門極驅動輸出和10個IGBT反饋輸入。通過邏輯單元陣列（LCA）將處理器內核和外圍接口進行邏輯關聯，借助LCA，可根據提及的應用程序由軟件建立逆變器專用的邏輯電路，用于聯鎖、鎖閉時間或最小加電次數等功能。

SIBCOS－M9000擁有8個二進制輸出和12個二進制輸入，所有的輸入輸出信息通過CAN總線在主控制器和M9000之間雙向傳輸。

2.5 電池充電機

電池充電機將輔助供電系統輸入電路得到的穩定的DC 1 500 V電壓轉為電氣隔離的DC 110 V輸出電壓。在普通的工作模式下，電池充電機向蓄電池充電，同時向連接在輸出端的負載供電。通過單獨的控制通道，以持續工作頻率向位于輸入側的IGBT雙模塊供電。電池充電機框圖如圖5所示。

要想保證電力生產企業安全運行沒有問題，應該做好交接班和巡查工作。在實施之前，應該明確交接班和巡查相關規定，尤其是交接班制度的制定，一定要結合實際情況，制定值班人數和值班時間等，需要明確規定交接班制度的相關內容。加強對電力設備的維護，同時也要注意周邊的環境，進行詳細巡查。遇到特殊情況應該加大巡查的力度，相關人員應該做相應的激勵。重視生產中的每個環節，對交接班和巡查制度進行完善，并嚴格要求工作人員，端正態度面對工作，這樣才能夠保證變電站的安全運行管理，使電力運行得到有效的控制，全面降低電力企業的安全事故。

帶中頻變壓器的逆變器在二次側產生電氣隔離的交流電壓。通過輸出整流器，整流二次側電氣隔離的交流電壓。輸出側的扼流圈和電容器使輸出電壓變得平滑。由集成在模塊中的SIBCOS－M2000控制器進行充電機的數字、電子、開環和閉環控制。通過軟件設置具體的應用參數（如充電電壓）。通過CAN總線接口連接到較高的控制等級。

圖5 電池充電機框圖

3 輔助供電系統的輸出電路

輔助供電系統主要功能是為地鐵車輛交流負載和直流負載提供工作電源。

3.1 交流輸出電路

列車輔助供電系統采用并聯供電方式，即輔助逆變器通過輸出三相輸出接觸器向AC 380 V交流列車母線供電，為交流負載提供工作電源。輔助供電系統交流負載分配如圖6所示。

列車輔助供電系統的交流負載主要包括空氣壓縮機、客室空調（含壓縮機、冷凝風機、通風機）、司機室的空調通風設備、設備通風機、電熱玻璃和方便插座。當一個輔助逆變器發生故障時，通過該故障逆變器的輸出三相接觸器，出現故障的輔助逆變器將會與3AC 380 V母線隔離，其他輔助逆變器輸出不受影響，列車可通過其他輔助逆變器進行供電，通過優化負載設計，能提供以下的額外供電冗余：能保證最少一臺空氣壓縮機正常工作；每節車的兩臺空調機組應分別以50%的減載模式運行；司機室的空調通風設備正常工作；所有設備通風機正常工作；方便插座正常工作。

圖6 輔助供電系統交流負載分配

3.2 直流輸出電路

列車設有正常供電和永久供電兩條DC 110 V母線，永久供電母線連接關鍵負載，與蓄電池的110 V輸出并聯，以便在列車輔助逆變器故障情況下，對關鍵負載進行緊急供電；正常供電母線連接非關鍵負載。列車的直流負載主要包括牽引控制、制動控制、列車網絡系統，廣播系統、空調系統、門系統、無線系統和信號系統等。按照負載類型將負載分為關鍵負載和非關鍵負載，其中關鍵負載包括緊急通風、緊急照明、牽引制動控制、火災報警、信號系統、列車監控系統、列車廣播系統、PIDS（Passenger Information Display System：乘客信息顯示系統）系統和無線系統等，其余為非關鍵負載。輔助供電系統直流輸出電路如圖7所示。

圖7 輔助供電系統直流輸出電路圖

列車所有直流負載均有供電冗余，當一個低壓電源故障的情況下應由另外的低壓電源供電，并能提供15%的額外冗余；在直流負載最大的情況下，從正母線到分系統輸入端的最大壓降為4 V，從負母線到分系統輸入端的最大壓降為3 V。

4 輔助供電系統的控制原理

4.1 輔助逆變器的控制

輔助供電系統輸入電路得到的穩定直流電壓提供輔助逆變器工作電源，經脈寬調制，輸出變壓變頻三相交流電壓。輔助逆變器的工作模式如下：

（1）如果輔助逆變器提供許可的輸入電壓，并通過VCU（Vehicle Control Unit：車輛控制單元）給出接通命令，則閉合預充電保護，開始內部濾波器電路的預充電。

（2）如果輸入濾波器內沒有錯誤，閉合主保護裝置，開始測試3AC輸出的輸出濾波器。為此，PWMI在輸出保護開路的情況下，按額定電壓運行，并測試輸出濾波器中有無發生故障，或是否發生內部短路或內部接地故障。

（3）如果能夠完全實現試運行而無發生故障，則再次斷開PWMI，以便與3AC列車母線同步。

（4）如果列車母線上無電壓，則先閉合輸出保護，接通PWMI，系統開始接通額定電壓。

（5）如果在輸出保護開路的條件下測試PWMI輸出濾波器完畢之后3AC列車的母線上已有電壓存在，則啟動PWMI，使其電壓和相位與列車母線電壓同步。一旦電壓、相位達到同步，電壓等同，輸出保護就閉合。從此時起，PWMI模塊就接收列車母線的全部輸出。

將輔助逆變器的3AC輸出調制到使3AC列車母線的總功率均勻分配給所有被連接的輔助逆變器上。這種調制方式是在輔助逆變器內實施的，這樣就不需要外部負載管理。VCU的負載管理須按照饋入的脈沖控制逆變器而與列車母線的最大負載相符。

一旦因用電器發生故障致使列車母線短路，所有逆變器均會將它們可能的最大輸出電流饋入該短路10 s，結果將觸發用電器前的電機保護開關。于是，自動恢復列車母線上的額定電壓。

4.2 電池充電機緊急啟動控制

輔助逆變器配備緊急啟動功能，如果蓄電池電量低，緊急啟動單元將幫助啟動輔助逆變器。按下緊急啟動按鈕，設備在無任何附加電源電壓的情況下通過接觸網獲電并開始運行。原理上，逆變器單元是一個直流到直流的變流器，通過輸入電壓產生DC 110 V的電壓，并在設備內部實現絕緣。按下按鈕后，緊急啟動將產生110 V直流電。此時可以運行主控單元M2500和蓄電池充電器，蓄電池開始充電。

如圖7所示，蓄電池箱內裝有欠壓保護繼電器和蓄電池輸出接觸器。蓄電池欠壓繼電器的常開觸點連接至SKS1，如果蓄電池一旦欠壓，則該欠壓繼電器得電，常開觸點閉合，TCMS（Train Control and Monitoring System：列車控制與監視系統）記錄此信息，并顯示到HMI上，以提醒司機。另外如果蓄電池欠壓，則輸出接觸器將打開，TCMS將通過SKS2監視蓄電池輸出接觸器的狀態，并在HMI上顯示蓄電池輸出接觸器的狀態。

蓄電池的緊急啟動功能操作原理如下：

（1）首先檢查蓄電池箱，然后在蓄電池控制箱內合蓄電池斷路器Q1。

（2）合列車兩端司機室斷路器KA1，激活列車線帶電。旋轉列車激活自復位開關到合位置，激活繼電器得電，列車延時斷電繼電器得電，常開觸點KT1閉合。如果此時蓄電池電壓大于84 V，那么蓄電池欠壓繼電器K1線圈將得電，其常開觸點閉合，使蓄電池輸出接觸器線圈K2得電，列車DC 110 V永久供電母線得電。這時合司機室激活斷路器，操作司機室鑰匙到合位置，司機室激活列車線得電，蓄電池正常供電接觸器線圈K3得電，列車DC 110 V正常供電母線得電。如列車蓄電池電壓低于77 V，SKS常開觸點SKS1將失電，蓄電池欠壓信息將在HMI顯示。然后合APS供電斷路器Q2和Q3。

（3）若蓄電池欠壓，首先確認DC 750 V高壓是否有電，如果DC 750 V高壓有電，可按下充電機緊急啟動按鈕E，則充電機的欠壓啟動由輔助逆變器內部來實現。

只有當車輛蓄電池處在欠電壓時，才能執行緊急啟動。緊急啟動包括激活受電弓和接通輔助逆變器。在這期間，輔助逆變器向電磁閥、主接觸器和輔助逆變器內部電子設備供電。一旦觸發了緊急啟動，輔助逆變器需要1 min才能轉回正常狀態，繼續正常的啟動程序并向蓄電池充電。另外，司機室中設置的信號燈可以向司機指示緊急啟動的狀態。

5 輔助供電系統的系統性能分析

廣佛線地鐵車輛輔助供電系統采用集中布置的并聯供電形式，與傳統的集中供電系統和分散并聯供電系統相比，廣佛線地鐵車輛輔助供電系統具有施工裝配和布線簡便和集成性高的優點。同時，在系統工作時，當系統中的一臺或者兩臺輔助逆變器故障時無需切除負載，具有故障冗余能力強的特點。另外，由于該系統在正常工作時每個單元的供電是獨立的，因此負載波動只影響本單元而不會對另一單元有影響，且系統的抗負載電流沖擊能力強，具有故障率低的優點。集中布置的并聯供電形式在廣佛線地鐵車輛上的成功應用，為城市軌道交通公司在選擇地鐵車輛輔助供電系統時提供了有益的參考。

［1］ 趙建葵，張凱.出口斯里蘭卡動車組輔助供電系統的設計開發［J］.鐵道車輛，2001，39（7）：17-18，44.

［2］ 杜求茂，陳中杰，彭駒.城軌車輛輔助供電系統的比較分析［J］.電力機車與城軌車輛，2011，34（4）：53-54，86.

［3］ 唐青松.香港地鐵車輛輔助變流器控制單元［J］.機車電傳動，2003，（6）：31-35.

Brief Discussion on Auxiliary Power Supply System of Guangzhou-Foshan Line Metro Vehicles

HU Zhengwei，JIAO Fangfang
（Product＆Tech.Research Center，Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd，Tangshan 063035 Hebei，China）

The auxiliary power supply system of Guangzhou-Foshan Line metro vehicles is presented.The train main circuit，as well as composition，output circuit，and control theory of the auxiliary power supply system are expounded.And the performance of the auxiliary power supply system is briefly analyzed.

metro vehicle；auxiliary power supply system；battery charger；control theory

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.15

1008－7842（2014）04－0066－05

7—）男，助理工程師（

2014－01－02）