地鐵車輛輔助逆變電源分析

劉錫堯 袁威

摘 要：地鐵車輛自主輔助電源系統(tǒng)在我國經過多年的研究和考核應用，技術模式與技術標準與國際接軌，實現了工程化、產業(yè)化。自主輔助電源系統(tǒng)的研究需要適應地鐵發(fā)展的需要，不斷提高其性能及可靠性，為地鐵用戶提供更加高效、節(jié)能環(huán)保、高質的系統(tǒng)和產品。

關鍵詞：地鐵車輛；輔助電源；節(jié)能

輔助電源系統(tǒng)是車輛牽引控制系統(tǒng)的重要組成部分。SIV為車輛客室空調機組及通風裝置、空壓機、電加熱器、交流照明等交流負載提供三相與單相交流電源；充電機為車載各系統(tǒng)控制電路、直流照明、電動車門及車載信號與通信設備提供直流電源并給蓄電池組充電。輔助電源系統(tǒng)工作的安全性、可靠性對車輛正常運營具有重要影響。在車輛設計的前期就需要對系統(tǒng)的構成、容量范圍、功能與性能要求等進行計算、分析和對比，選擇合適的系統(tǒng)及設備、合適的參數來構成最優(yōu)的輔助供電系統(tǒng)，滿足車輛運營要求、降低系統(tǒng)的全壽命周期成本。

1、直接逆變方式

直接逆變輔助電源電路結構原理是地鐵車輛輔助逆變電源最簡單的基本電路結構形式。開關元器件通常可采用大功率GTO，IGBT或IPM。輔助逆變電源采用直接從第三供電軌受流方式，逆變器按V/f等于常數的控制方式，輸出三相脈寬調制電壓向負載供電。這種電路的特點是電路結構簡單、元器件使用數量少、控制方便，但缺點是逆變器電源輸出電壓容易受電網輸入電壓的波動影響，輸入與輸出不隔離，輸出的電壓品質因數差、諧波含量大、負載使用效率低。

2、斬波降壓逆變方式

斬波降壓加逆變方式的輔助電源電路結構主要由單管DC/DC斬波器、二點式逆變器、三相濾波器、隔離變壓器和整流電路組成。逆變器輸出經過三相濾波后，輸出穩(wěn)定的正弦三相交流電壓，作為驅動空調機、風機等三相交流負載電源，同時三相交流電壓經變壓器和整流后，可實現電源的多路直流輸出。其特點如下。三相逆變器輸出電壓不受輸入電網電壓波動的影響，DC/DC斬波的閉環(huán)控制可以保持逆變器輸入電壓的恒定。每臺輔助逆變電源斬波器只需一只大功率高壓IGBT元件，逆變器可以采用較低電壓的IGPT元件。由于逆變器輸入電壓恒定，對于只要求#+#，控制的逆變器來說，只需要一定數量的梯波輸出，即可保證逆變器輸出穩(wěn)定的脈寬調制電壓，諧波含量小于5%。斬波器分散布置在每臺車的電源上，機組結構統(tǒng)一。對于供電網，雖然每臺電源斬波的開關頻率相同，但它們之間的斬波相位差是隨機的，同樣可實現斬波器多相多重斬波作用。隔離變壓器的使用實現了電網輸入與輸出負載之間的電氣隔離。（圖一）

3、兩重斬波降壓逆變方式

與單管直接DC/DC斬波降壓逆變方式的輔助電源電路基本相同，兩重斬波器替代了DC/DC單管斬波器，開關元器件可采用GTO或IGBT。其特點是采用兩重斬波器，當上、下兩個斬波器控制相位互相錯開180°時，可以使斬波器的開關頻率相應提高一倍，因而可大大減小濾波裝置的體積和重量，降低逆變器中間直流環(huán)節(jié)電壓的脈動量，提高輔助逆變電源的抗干擾能力。兩重斬波器閉環(huán)控制起到了穩(wěn)壓和變壓作用，因此可提高逆變器的輸出效率。兩重DC/DC斬波器與單管斬波器相比，開關元器件和斬波器的附件多了一倍，但管子的耐壓可降低一半，提高了元件的使用裕度和設備的安全可靠性。直流供電網與負載之間的變壓器隔離以及相應設計的濾波器，可以保證逆變器輸出的三相交流電壓諧波最小，且可降低對負載過充電壓的影響，提高負載的使用壽命。

4、升降壓斬波逆變方式

升降壓斬波加逆變的地鐵輔助電源的前級斬波是由一個平波電抗器及兩個開關管、二極管和儲能電抗器構成，升降壓斬波器本質上相當于兩相DC/DC直流變換器，控制系統(tǒng)采用PWM控制方式。兩個開關管交替通斷，按輸出電壓適當地控制脈沖寬度，可以獲得與輸入電壓相反的恒定直流輸出電壓。后級逆變輸出由兩點式三相逆變器和三相濾波器組成。斬波器和逆變器開關元器件可采用GTO或IGBT，IPM等。此電路的特點是：電網電壓的波動不影響斬波器輸出電壓的恒定穩(wěn)定，當電網電壓高于斬波器輸出電壓時，斬波器按降壓斬波控制方式工作；當電網電壓低于斬波器輸出電壓時，斬波器按升壓斬波控制方式工作。兩個開關管的交替導通和關斷，提高了斬波開關頻率，降低了儲能電抗器體積和容量以及開關器件的電壓應力，減小了輸出電壓的脈動量。

綜上所述，采用靜止輔助逆變電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流發(fā)電機組供電裝置，已是地鐵與輕軌城市軌道交通發(fā)展的必然趨勢。靜止輔助逆變電源方案的選擇，應結合國內電力電子技術的發(fā)展、元器件的使用水平以及國外地鐵電動車組輔助逆變電源的發(fā)展方向，研制和開發(fā)出適合我國城市軌道交通地鐵和輕軌車輛的輔助逆變供電系統(tǒng)。地鐵靜止輔助逆變電源的研制成功標志著我們已具備了開發(fā)和生產國產化地鐵輔助電源的能力。

參考文獻：

[1]李紅，自然采樣逆變電源的諧波分析及抑制策略[J]，電網技術，2011

[2]左鵬升壓變換器非線性輸出反饋控制[J]，中國鐵道科學，2013