軌道車輛輔助系統并網供電探討及應用

陳爭

摘 要：隨著乘客對軌道車輛舒適性、便捷性需求的不斷提升，軌道車輛的功能不斷增多，對逆變電源容量的需求也不斷增大，因此采用多臺逆變電源并網供電的方式已成為技術發展的方向。文章對并網供電的不同控制方式進行對比，著重探討了無互連線的并網供電控制原理，并結合實例介紹多臺逆變電源并網供電在軌道車輛的應用情況[1]。

關鍵詞：軌道車輛；逆變電源；并網供電；輸出接觸器

中圖分類號：TM464 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0159-02

Abstract： With the increasing demand of passengers for the comfort and convenience of rail vehicles， the function of rail vehicles is increasing， and the demand for inverter power supply capacity is also increasing. Therefore， it has become the direction of technology development to use multi-inverter power supply mode. This paper compares different control methods of grid-connected power supply， emphatically discusses the principle of grid-connected power supply control without interconnection， and introduces the application of grid-connected power supply of several inverters in rail vehicles with examples.

Keywords： rail vehicle； inverter power supply； grid-connected power supply； output contactor

前言

三相逆變電源廣泛應用于軌道車輛輔助供電系統，隨著軌道車輛的不斷發展，以及用戶、乘客對車輛舒適性、便捷性等提出更高的要求，車輛用電功率不斷增大，導致所需逆變電源的容量不斷增大。但受制于車輛有限的安裝空間等因素，單臺逆變電源容量不能無限增大，因此需要增加逆變電源的數量。

多臺逆變電源并網供電對并網供電控制的可靠性提出更高的要求。目前逆變電源并網控制方式主要包括，集中控制、主從控制、分布控制及無互連線控制等。這些控制方式區別主要在于均流控制的策略及方法不同。其中，集中控制采用公共集中的模塊；主從控制以主逆變電源的輸出電流作為從逆變電源控制的電流基準；分布控制將控制功能分散在各個模塊中，模塊間通過線纜進行數據交互；無互連線控制中各模塊不需要電纜進行數據交互，根據逆變電源輸出功率的下垂特性進行控制。前三種方式的缺點主要表現在，集中控制方式和主從控制方式過于依賴并網系統中的某一模塊，分布控制方式在多個逆變電源并網時存在過多的互連線。[2]

在軌道車輛中，考慮到列車編組較長，通常情況下為4輛、6輛、8輛、16輛，并網的逆變電源臺數多，各逆變電源之間的間隔較長，且逆變電源的穩定性對車輛的正常運行至關重要。無互連線并網系統的逆變電源之間無需信息交互，系統抗干擾能力強，可靠性高，所以本文主要對無互連線并網供電采用的PQ下垂控制特性及控制方式進行介紹，并結合實際應用說明多臺逆變電源并網供電的應用。

1 PQ下垂特性

輔助系統中逆變電源的并網必須確保各逆變電源輸出電壓的頻率、相位和幅值基本一致，供電負載功率基本均等。PQ下垂控制（P為有功功率，Q為無功功率）是基于逆變電源輸出的下垂特性，各逆變電源檢測自身輸出功率，通過下垂特性得到輸出電壓頻率和幅值的指令值，然后各自反相微調其輸出電壓幅值和頻率以達到系統有功和無功功率的合理分配。[3]

2 功率PQ計算

逆變電源并網過程中，采用鎖相環實時檢測交流母線電壓的相位和頻率，確保各逆變電源的輸出電壓保持一致。在無互連線并網系統中，通過對逆變電源輸出的平均有功功率和平均無功功率的合理分配，來實現輸出電壓的同步控制。在三相逆變電源中，有功和無功功率的計算如下：

根據上述公式將所得有功功率P和無功功率Q經低通濾波器后送入PQ下垂控制環節進行調節。

3 無互連線并網控制

基于PQ下垂控制的并網控制結構如圖2所示。采用PQ功率控制、電壓外環、電流內環的控制結構，將逆變電源輸出的電流、電壓進行PQ計算，引入PQ下垂控制器進行調節。通過三相LC濾波電路、限流電抗器對逆變電源的輸出進行濾網，提高輸出品質。

4 逆變電源并網供電的應用

4.1 供電結構

以某8編組的軌道列車為例，全列采用4臺逆變電源，每臺逆變電源由牽引變流器的中間直流取電。當牽引變流器啟動且中間直流電壓達到DC1800V后，逆變電源啟動向交流母線提供3相AC380V/50Hz電源，其他逆變電源通過列車網絡系統進行啟動和并網供電。現車配置結構如圖3。

4.2 并網啟動過程

當列車網絡系統檢測到牽引變流器中間直流電壓建立后，將向其中1臺逆變電源發送啟動指令，該臺逆變電源作為主機啟動，并閉合其內部的輸出接觸器K向列車交流母線供電。一定時間間隔后，列車網絡系統再向下一臺逆變電源發送啟動指令，該臺逆變電源檢測母線電壓正常后以母線電壓的幅值和頻率為基準，控制輸出與母線電壓的幅值、頻率和相位均一致的電壓，從而實現并網。其他逆變電源依次由列車網絡系統發送啟動命令，完成并網輸出。

列車網絡系統實時檢測逆變電源的啟動狀態，根據成功啟動的逆變電源數量按照一定的邏輯順序投入全列車的交流負載，減小負載啟動對逆變電源的沖擊。當某臺逆變電源故障時，該電源將停機并斷開接觸器K自動隔離，其他逆變電源仍正常工作，確保列車正常用電。

在并網供電期間，四臺輔助逆變器不斷檢測計算輸出的有功功率P和無功功率Q，并通過下垂特性調整各自輸出電壓的幅值和頻率，以實現對負載功率P、Q的均分。

5 結束語

并網供電過程由系統自動控制，無需人工干預，當某臺逆變電源故障時將自動與母線隔離，剩余電源繼續正常供電，全列負載不受影響。車輛配置結構簡單可靠，提高故障處理效率，而且車輛負載不會因逆變電源故障而停機，確保乘坐舒適性。本文論述的無互連線的并聯控制方式，各逆變電源之間無需額外增加信息交互，并網供電由網絡系統統一進行協調控制，控制邏輯周密可靠，提高系統運行安全性、可靠性。

參考文獻：

[1]饒光洋，薛金水.三相逆變電源設計[J].電子世界，2015（20）：169-172.

[2]朱文靜，并聯逆變電源的控制及保護技術研究[D].華中科技大學，2016.

[3]朱永祥，肖強暉，童圣驍，基于PQ下垂控制的逆變器并聯系統仿真研究[J].湖南工程學院學報（自認科學版），2012（04）：10-12.