軌道車輛輔助系統(tǒng)并網(wǎng)供電探討及應(yīng)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(wǎng)供電的方式已成為技術(shù)發(fā)展的方向。文章對并網(wǎng)供電的不同控制方式進(jìn)行對比，著重探討了無互連線的并網(wǎng)供電控制原理，并結(jié)合實(shí)例介紹多臺逆變電源并網(wǎng)供電在軌道車輛的應(yīng)用情況[1]。

關(guān)鍵詞：軌道車輛；逆變電源；并網(wǎng)供電；輸出接觸器

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)用于軌道車輛輔助供電系統(tǒng)，隨著軌道車輛的不斷發(fā)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(dǎo)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(shù)量。

多臺逆變電源并網(wǎng)供電對并網(wǎng)供電控制的可靠性提出更高的要求。目前逆變電源并網(wǎng)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(qū)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(zhǔn)；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(jìn)行數(shù)據(jù)交互；無互連線控制中各模塊不需要電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)逆變電源輸出功率的下垂特性進(jìn)行控制。前三種方式的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在，集中控制方式和主從控制方式過于依賴并網(wǎng)系統(tǒng)中的某一模塊，分布控制方式在多個逆變電源并網(wǎng)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(wǎng)的逆變電源臺數(shù)多，各逆變電源之間的間隔較長，且逆變電源的穩(wěn)定性對車輛的正常運(yùn)行至關(guān)重要。無互連線并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變電源之間無需信息交互，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，所以本文主要對無互連線并網(wǎng)供電采用的PQ下垂控制特性及控制方式進(jìn)行介紹，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用說明多臺逆變電源并網(wǎng)供電的應(yīng)用。

1 PQ下垂特性

輔助系統(tǒng)中逆變電源的并網(wǎng)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(fù)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(diào)其輸出電壓幅值和頻率以達(dá)到系統(tǒng)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(wǎng)過程中，采用鎖相環(huán)實(shí)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(wǎng)系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(jù)上述公式將所得有功功率P和無功功率Q經(jīng)低通濾波器后送入PQ下垂控制環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 無互連線并網(wǎng)控制

基于PQ下垂控制的并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用PQ功率控制、電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，將逆變電源輸出的電流、電壓進(jìn)行PQ計算，引入PQ下垂控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過三相LC濾波電路、限流電抗器對逆變電源的輸出進(jìn)行濾網(wǎng)，提高輸出品質(zhì)。

4 逆變電源并網(wǎng)供電的應(yīng)用

4.1 供電結(jié)構(gòu)

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(dāng)牽引變流器啟動且中間直流電壓達(dá)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行啟動和并網(wǎng)供電。現(xiàn)車配置結(jié)構(gòu)如圖3。

4.2 并網(wǎng)啟動過程

當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(fā)送啟動指令，該臺逆變電源作為主機(jī)啟動，并閉合其內(nèi)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)再向下一臺逆變電源發(fā)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(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。其他逆變電源依次由列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送啟動命令，完成并網(wǎng)輸出。

列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時檢測逆變電源的啟動狀態(tài)，根據(jù)成功啟動的逆變電源數(shù)量按照一定的邏輯順序投入全列車的交流負(fù)載，減小負(fù)載啟動對逆變電源的沖擊。當(dāng)某臺逆變電源故障時，該電源將停機(jī)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(wǎng)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(diào)整各自輸出電壓的幅值和頻率，以實(shí)現(xiàn)對負(fù)載功率P、Q的均分。

5 結(jié)束語

并網(wǎng)供電過程由系統(tǒng)自動控制，無需人工干預(yù)，當(dāng)某臺逆變電源故障時將自動與母線隔離，剩余電源繼續(xù)正常供電，全列負(fù)載不受影響。車輛配置結(jié)構(gòu)簡單可靠，提高故障處理效率，而且車輛負(fù)載不會因逆變電源故障而停機(jī)，確保乘坐舒適性。本文論述的無互連線的并聯(lián)控制方式，各逆變電源之間無需額外增加信息交互，并網(wǎng)供電由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，控制邏輯周密可靠，提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]朱文靜，并聯(lián)逆變電源的控制及保護(hù)技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2016.

[3]朱永祥，肖強(qiáng)暉，童圣驍，基于PQ下垂控制的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)仿真研究[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報（自認(rèn)科學(xué)版），2012（04）：10-12.