城軌車輛輔助供電方式比較分析與應用

摘 要：針對目前國內軌道交通領域城軌車輛采用的不同中壓供電形式：擴展供電形式、交叉網絡供電形式以及并聯網絡供電形式，通過介紹、分析和比較不同供電方式的特點，確定合理的供電設計方案，提高列車輔助供電系統的可靠性，確保降級工況時列車性能不受影響。

關鍵詞：城軌車輛；輔助供電；擴展供電；交叉供電；并網供電

引言

目前，在國內外軌道交通行業，輔助供電方式主要有三種，分別為擴展供電、交叉供電和并網供電。輔助供電主要是由輔助逆變器輸出交流380V為列車負載提供交流電源。

在國內外的軌道交通行業，早期地鐵列車一直采用擴展供電方式和中壓交叉網絡供電形式（以下簡稱交叉供電），直到近年來開始采用中壓并聯網絡供電形式（以下簡稱并網供電）。采用擴展供電方式的地鐵線路主要有天津1號線，采用交叉供電方式的比較典型的是深圳2號線，采用并網供電方式的主要有廣佛線。在長編組多輔助變流器的車輛上采用并網供電，當一個輔助變流器故障時基本不用減載，因此并網供電將成為未來的趨勢。文章將重點介紹這三種中壓供電形式技術特點，并進行相關的性能比較和分析。

1 輔助供電系統

1.1 輔助供電系統組成

列車輔助供電系統主要負責對列車所有中低壓輔助設備的供電，是列車最重要的系統之一，其穩定與否將直接影響列車牽引控制系統、空壓機、空調等車上重要設備的正常工作。輔助供電系統包括：輔助逆變器、充電機、蓄電池、高壓母線（DCl500V）、中壓母線（三相AC380V 50Hz）、低壓母線（DC110V）、其他必須的輔助設備（繼電器、接觸器、空氣開關、控制器）等。

1.2 擴展供電

擴展供電方式一般在每半列車設置一個輔助變流器，每個輔助變流器為相近的半列車提供交流電源，一旦一個輔助逆變器故障，另一個輔助逆變器將為整列車提供交流電源，同時減載。擴展供電屬于早期車輛采用的供電方式，技術相對成熟。由于擴展供電技術相對簡單，是國外牽引供應商進入國內市場首推的技術，隨著技術的革新，擴展供電方式已很少被國外的牽引供應商所采用。但是隨著發改委對牽引系統國產化率要求的越來越嚴格，國內牽引供應商已打破國外大企業對城軌牽引系統的壟斷，以株洲時代為代表的國內牽引供應商大舉進軍國內城軌牽引系統市場，由于擴展供電技術相對簡單且運用成熟，成為輔助供電方式的首選。目前株洲中標的大連2號線、寧波2號線均采用株洲時代提供的擴展供電方式。

1.3 交叉供電

交叉供電方式一般為每半列車設置一個輔助變流器，每個輔助變流器為整列車的一半負載供電，一旦一個輔助逆變器故障，此輔助逆變器所帶的負載將全部喪失電源，僅另一個輔助逆變器所帶的負載能夠正常運行。交叉供電和擴展供電一樣，為早期輔助供電方式。交叉供電方式基本與擴展供電一樣，區別就是擴展供電中每個輔助逆變器給半列車的所有負載供電，而交叉供電方式是每個輔助逆變器給整列車一半的負載供電。

1.4 并網供電

并網供電則是將列車上多個輔助變流器同時掛在交流母線上，所有交流用電設備從交流母線上取電。

并網供電為城軌車輛的新興技術，目前其優勢明顯，為以西門子、阿爾斯通為代表的國外牽引供應商首推城軌車輛輔助供電解決方案。

2 輔助供電方案分析與比較

以一個6編組4動2拖B型地鐵為例，車上負載分布如表1。

2.1 擴展供電方案

采用擴展供電方式，需要選擇2個220KVA的輔助逆變器，分別設在Tc車上，如圖所示1。

擴展供電方式在兩個輔助逆變器之前設置一個交流接觸器，一旦一個逆變器故障，交流接觸器將會吸合，另外一個輔助逆變器將通過整個交流母線為整列車供電，同時列車負載降級運行。一個輔助逆變器容量220KVA，在夏季時為整列車提供交流電源已無法滿足，需要減掉一半的空調。

一半空調負載經計算為154.65KVA

365.88-154.65=211.23（KVA）

因此此時減掉一半空調可以滿足列車交流供電需求，但是已經影響到了乘客的舒適度。

圖1 擴展供電原理圖

2.2 交叉供電方案

采用交叉供電方式，需要選擇2個的輔助逆變器，分別設在Tc車上，如圖2所示。

交叉供電每個輔助逆變器帶半列車的負載，一旦一個輔助逆變器故障而無法輸出，將有半列車的交流負載無法得到電源，此時一半的空調、空壓機、交流插座等交流設備將無法工作。受影響度超過擴展供電。

圖2 交叉供電原理圖

交叉供電的控制：

KM01：列車線轉換（單元分解） KM02：他單元供電（單元聯掛）

KM01和KM02控制時需要互鎖

2.3 并網供電方案

采用并網供電方式，可選用6個73KVA的輔助逆變器分布在六輛車上，如圖3所示。

并網供電有一條貫穿全列的中壓母線，即列車上所有的輔助逆變器并聯在中壓母線上同時向全列車的中壓負載供電。輔助逆變器內部有輸出接觸器，幾臺輔助逆變器順序啟動，第一臺為隨機啟動，第二臺開始，需要通過輔助逆變器輸出端的傳感器檢測母線上三相電的幅值和頻率，一旦一致將開始閉合輸出接觸器，該輔助逆變器接入到母線上。正常情況下，所有輔助逆變器處于并聯供電模式；一旦一個輔助逆變器故障，該輔助逆變器輸出接觸器將斷開，輔助逆變器停止輸出，整車輔助逆變器容量將降為73*5=365KVA，空調不用減載，可滿足整列車輔助供電要求。

3 結束語

綜上所述，采用擴展供電和交叉供電方式，輔助逆變器數量少，冗余性差，一旦一個輔助逆變器故障，在夏季列車空調將降級運行，而交叉供電減載更加嚴重。而采用并網供電方式，一旦一個輔助逆變器故障，基本不用減載運行，有其巨大的優勢，屬于城軌車輛比較先進的技術，是未來發展的趨勢。但是由于技術被國外大公司壟斷，在一段時期內還是會出現三種供電方式并存的現狀。

參考文獻

[1]龔文斌，張衛東.Alstom地鐵列車中壓輔助供電形式的性能比較及優化[J].儀表技術，2011.

[2]B型地鐵輔助容量計算書[Z].

[3]寧波地鐵2號線牽引系統投標文件[Z].

[4]廣佛線電氣原理圖[Z].

[5]深圳二號線電氣原理圖[Z].

作者簡介：唐朝輝，男，工學碩士學位，工程師，主要從事軌道車輛研發設計工作，曾參與設計多種車型的車輛設計工作，現從事中國北車唐車公司產品研發中心電氣系統設計工作。