軌道列車輔助變流器供電方式分析

王樹賓

(中車長春軌道客車股份有限公司, 130062, 長春//教授級高級工程師)

軌道列車輔助供電系統維持著列車許多重要功能的實現，也關系到乘客的乘坐舒適性，是列車運行不可缺少的部分。輔助供電系統將網側直流電壓逆變成三相380 V交流電，提供給列車。列車上除牽引電機以外的負載，包括風機空調、插座、照明、加熱器等設備，都是由列車輔助供電系統來維持其正常工作的。隨著變頻空調等非線性負載的普及，對列車輔助供電系統的性能要求也越來越高，尤其對其可靠性、安全性的要求也逐漸提高。未來的輔助變流供電系統也會在原有基礎上得到大幅度改善，逐漸往高頻化、輕量化發展。因此，探索長壽命、高可靠性、高功率密度的輔助變流器，是未來發展的趨勢[1]。

基于軌道列車輔助變流供電系統的基本原理和控制方法，分析輔助變流器的拓撲結構和供電方式，并對未來軌道列車輔助供電的發展提出展望。

1 輔助變流供電系統拓撲結構

目前，軌道列車輔助變流器的主流拓撲結構分為兩種：工頻隔離式輔助變流器和單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器。

1.1 工頻隔離式輔助變流器

圖1為典型的工頻隔離式輔助變流器的拓撲結構：采用三相四線制，從網側直流電取電，經過網側濾波、三相全橋逆變、變壓器隔離和變壓，輸出濾波得到三相380 V交流電，給列車上的負載供電。此拓撲結構中，網側直流電只需1次變換，再經變壓器的隔離和變壓就可以得到想要的電壓。其結構簡單實用、可靠性高、易于實現，是目前常用的拓撲結構。但是，由于采用工頻變壓器，故體積龐大，較笨重，變流器整體的功率密度較低[2-4]。

圖1 工頻隔離式輔助變流器拓撲結構

1.2 單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器

圖2是典型的單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器。網側直流電輸入，經網側濾波后進入高頻逆變器；高頻逆變器將直流電壓轉換成高頻交流電壓，通過高頻變壓器進行隔離變壓，經過整流橋得到需要的直流電壓；再經直流濾波進入工頻三相逆變器，輸出濾波后得到預期的三相交流電。

該拓撲結構采用的高頻變壓器在體積和質量上大幅度減少，提高了功率密度；且直流濾波的引入使DC/DC變換和DC/AC變換相對獨立，可以根據各自的需要獨立進行控制。但是，其缺點也比較明顯：由于需要經過三級變換，整體結構更加復雜，控制難度也有所加大；由于采用了不控整流，能量只能單向流動；雖取消了工頻變壓器，但引入了直流濾波環節，直流濾波電容和電感在系統中仍占有較大空間和質量，不利于模塊的輕量化。

圖2 單向DC/DC變換型高頻逆變器拓撲結構

1.3 兩種拓撲結構的比較

對比以上兩種不同的拓撲結構可見：作為傳統拓撲結構的工頻隔離式輔助變流器在可靠性上具有優勢，整體結構更加簡單可靠，但工頻變壓器的體積和質量太大，不節能，也不符合輕量化的標準，需要改進[5]。

單向DC/DC高頻逆變器，使用軟開關技術，提高了功率器件的工作頻率，使用高頻變壓器取代了工頻變壓器，變壓器占系統的空間大大減小；高頻化也使濾波電感和電容的體積減小，使整個系統的體積和質量減小，符合軌道列車輕量化的趨勢，提高了逆變器的功率密度，且更加節能和環保[6]。

表1 兩種拓撲結構的對比

2 輔助變流供電系統供電方式

輔助變流供電系統從供電方式上可分為集中供電和并網供電兩種方式。

2.1 集中供電方式

采用集中供電模式的輔助變流供電系統如圖3所示。每列車分為2個及2個以上的單元，每個單元由單獨的輔助逆變器供電，單元彼此沒有聯系。在正常情況下，每臺輔助逆變器單獨輸出AC 380 V電壓給本單元的負載供電。一旦有輔助逆變器發生故障，首先系統檢測出哪一臺逆變器發生故障，通過斷開接觸器使發生故障的逆變器與系統隔離；然后通過拓展接觸器將其他單元的輔助逆變器引入此單元，即一個輔助逆變器給2個單元的負載供電。但是，由于逆變器的容量不夠，在保證列車正常運行以及最大化滿足乘客舒適度的前提下，需要切除系統中不重要的負載，以確保輔助逆變器在額定容量范圍內運行[7]。

注：SIV為輔助逆變器

圖3 采用集中供電模式的輔助變流供電系統

2.2 并網供電方式

并網供電(見圖4)即每列車有多臺逆變器并網給負載供電。并網供電要求各臺逆變器的輸出電壓幅值、頻率和相位一致，否則會使逆變器之間存在環流，導致效率下降甚至整個系統解列崩潰。所以，并網運行對每臺逆變器的同步和控制有更嚴格的要求。

圖4 采用并網供電模式的輔助變流供電系統

2.3 兩種供電方式的對比

對比兩種供電方式，從表2可以看出：并網供電的性能整體上比集中供電優越，并網供電的單臺容量更小，供電的冗余程度更好，在單臺逆變器發生故障的情況下系統受到的影響最小。但是，并網供電也存在一些缺陷，例如：從列車控制角度出發控制算法更加復雜，對逆變器的同步和功率分配等要求較高；同時，多臺逆變器并網整體上增加了輔助供電系統的質量，維修保養的費用也相應提高[8-9]。

表2 兩種供電方式的對比

3 未來發展趨勢

3.1 高效化

軌道列車輔助逆變器的功率密度一直是業內關注的重點，其中功率開關器件和隔離變壓器的損耗是逆變器最大的損耗。因此，要想提高輔助變流器的功率密度，必須降低兩者的損耗。其中：開關器件的損耗可以使用軟開關技術得到優化；工頻隔離器變壓器的體積、質量大，損耗也大，可以通過高頻化使用高頻隔離變壓器來降低變壓器上的損耗。因此，通過高頻化和軟開關技術可以提高系統的整體功率密度，使整個系統高效化[10]。

3.2 模塊化

目前，逆變器模塊化程度不高，不同的輔助逆變器有著不同的電壓、電流參數，可替換性較差。若能統一逆變器的接口標準，統一電氣參數,如統一輸入電壓、電流和輸出電壓、電流的參數指標，則可以提高系統的可替換性，方便安裝和維護。

3.3 輕量化

若采用高頻變壓器取代傳統的工頻隔離式變壓器，則系統的整體體積和質量都會大幅度降低，從而實現輕量化。除此以外，采用新材料如碳化硅或者氮化鎵的新型功率開關器件來取代傳統的硅基開關器件也能相應提高系統的輕量化。這種新材料的開關器件，在同等功率下，散熱性能比傳統器件有所提升，能夠節省散熱模塊的體積，從而提高系統的整體效率，實現系統的輕量化。

4 結論

通過對比分析傳統工頻隔離式輔助變流器和單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器的拓撲結構，認為單向DC/DC變換型高頻鏈逆變器更適合軌道列車輔助變流器系統。通過對比分析集中供電和并網供電兩種輔助變流供電方式，認為并網供電方式更加優越，更適合軌道列車輔助供電系統。未來軌道列車輔助變流供電系統一定會向著高效化、模塊化和輕量化發展。