基于列車控制管理系統的輔助逆變器并網控制策略

荊振文 鄭殿科

（中車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師）

輔助供電系統是地鐵車輛中最重要系統之一，主要負責對車載設備的中壓及低壓供電。輔助供電系統包括輔助逆變器、充電機、DC 1 500 V 高壓母線、AC 380 V 中壓母線、DC 110 V 低壓母線等。其中輔助逆變器最為關鍵，其將DC 1 500 V 高壓轉換為車載所需要的各級電壓，以保證車輛正常運行。并網供電的電源系統只是列車輔助供電系統的一種形式，其主要優點是通過與列車控制管理系統（TCMS）使輔助逆變器的使用率達到最大化，以節約能源。

在地鐵中，通過TCMS 實現對全列車輔助逆變器啟停的控制。如果控制方法設計不當，控制策略有誤，則會出現部分正常的輔助逆變器不能成功啟動，導致設備減載，從而影響車輛運行。因此，設計出一套輔助逆變器的啟停策略至關重要。此控制策略可實現當單臺輔助逆變器故障時，所有中壓負載正常工作，使之對乘客及列車運行無影響；任意2 臺輔助逆變器故障時，全車空調工作在半冷狀態，其它中壓負載正常工作，對乘客及列車運行也無較大影響。

1 輔助供電系統

列車設置有一條跨接整列車的DC 1 500 V 輔助供電高壓列車線，可通過1 個受電弓對整車輔助系統電源供電。在Tc 車（帶司機室的拖車）和M 車（動力車）各設1 臺輔助逆變器。每臺輔助逆變器有一組三相四線輸出，全列車4 臺輔助逆變器三相輸出并聯，構成一路AC 380 V 列車母線，通過并網供電的方式給全列車的交流負載提供AC 380 V/50 Hz 的電源。當任1 臺輔助逆變器故障時，通過斷開其輸出接觸器與列車中壓母線隔離，不影響其它輔助逆變器的正常工作。

在每個Mp 車（帶受電弓的動車）設置有一個DC 1 500 V 的車間電源插座，集成在牽引高壓箱一側。若不能采用受電弓提供高壓DC 1 500 V 時，可通過庫內的車間電源插頭，將其插入車間電源插座，實現對全車輔助逆變器的供電。輔助供電系統原理如圖1 所示。

2 TCMS 對輔助逆變器的控制結構

TCMS 的控制單元（VCU）與列車各子系統通過多功能車輛總線（MVB）相連。輔助控制單元（ACE）具有MVB 接口，能有效地與VCU 進行控制指令、狀態信息和故障信息交換, 實現TCMS 對ACE 的并網啟動控制。司機顯示單元（DDU）同樣具有MVB 接口，其接入TCMS 后能實時顯示每一個輔助逆變器以及其他輔助設備的狀態信息、故障信息。TCMS 對輔助逆變器的控制結構如圖2 所示。

圖1 列車輔助供電系統原理圖

圖2 TCMS 對輔助逆變器的控制結構

3 輔助逆變器分時序控制策略

3.1 輔助逆變器啟動前提條件

TCMS 對輔助逆變器分時序控制之前需滿足以下條件：列車喚醒，司機室激活，列車蓄電池打開且狀態良好；TCMS 工作正常，且與ACE 通信正常；ACE 檢測到DC 1 500 供電電壓及DC 110 V 控制電壓存在，同時三相輸出繼電器短時閉合，用于檢測是否存在內部短路和外部短路。此時，TCMS 需控制列車各負載處于不啟動狀態。當以上條件均滿足時，TCMS 方可進行輔助逆變器并網控制。

3.2 輔助逆變器控制信號

ACE 的控制信號有以下5 個：

1）DisableIdleAux：指定此輔助變流器為主設備，低電平有效，由TCMS 發送至ACE。

2）DisableStartAux：啟動信號，低電平有效，由TCMS 發送至ACE。

3）LineVoltON：線電壓存在，高電平有效，由TCMS 發送至ACE。

4）ACMBusActive：ACE 母線激活, 高電平有效，由ACE 發送至TCMS。

5）ACMActOnBus：ACE 在母線激活,高電平有效，由ACE 發送至TCMS。

3.3 分時序的輔助逆變器并網控制啟動

當前所提條件滿足時，TCMS 將開始整個并網控制過程。TCMS 內部設有一個28 s 的循環累加計數器（DIS_usTime_counter），每秒累計一次，從0 開始累加，累加值大于27 時累加值清零，再重新累加。此28 s 分成4 個時間片段，每個時間片段為7 s；每個時間片段，TCMS 指定1 臺輔助變流器啟動，具體啟動時間片段如表1 所示：

表1 啟動時序表

分時序并網控制過程分為以下三個步驟：

1）選擇主設備、從設備。如果1 臺ACE 與TCMS 通信正常，其母線激活變量都未激活（ACMBusActive 和ACMActOnBus 均為0），而且其他3個通信正常的ACE 都不是主設備（DisableIdleAux=1），根據累加計數器計數值和啟動時序表，設定ACE 是否為主設備（DisableIdleAux=0），同時將其他3 個ACE 設置為從設備（DisableIdleAux=1）。DIS_usTime_counter 默認值為0，即默認從C1 車的ACE 開始選擇是否作為主設備。TCMS 發出主設備設定指令后的7 s，收到相應輔助變流器反饋的母線激活變量未激活（ACMBusActive=0），則復位此變流器為從設備（DisableIdleAux=1），同時TCMS 根據上述條件選擇下一臺ACE 是否作主設備。如輪詢完28 s 之后，車輛4 個ACE 作主設備時，車輛輔助逆變器未正常啟動，則計數器復位為0，并將繼續按ACE1—ACE6 的順序開始重新輪詢選定主設備，并在條件滿足時發送輔助逆變器啟動指令，如此循環，直至有輔助逆變器反饋母線激活信號，實現并網成功。首次輪詢過程中，4 臺輔助逆變器均未啟動成功，則通過司機室DDU 報ACE 故障。輔助逆變器主、輔設備選定流程如圖3 所示。

2）主設備啟動。正常情況下，主設備ACE 與TCMS 通信正常，且此ACE 不存在內部和外部短路故障，TCMS 也未診斷出有短路故障，當計數器值滿足表1 時，TCMS 激活主設備并網啟動指令（DisableStartAux=0）。主設備接收到主設備并網啟動指令后，會閉合其所對應的閉合母線接觸器，在5 s 內完成ACE 啟動。如TCMS 發出主設備啟動指令后，檢測短路信號激活或收到降弓指令，則TCMS 復位啟動指令（DisableStartAux=1）。啟動主設備后，母線上存在電壓，車輛AC 380 V 的相位和頻率由首先并網啟動的主輔助逆變器決定。

3）從設備并網啟動。按照時間順序，TCMS 按車輛順序間隔7 s 判斷其他車ACE 是否具備啟動條件。如條件滿足，則按時間逐一發送從設備啟動指令（DisableStartAux=0）至ACE3—ACE6，ACE3—ACE6 接收到TCMS 發送的指令后，檢測母線情況后，即閉合各自母線接觸器，單臺ACE 啟動時間大約3 s。整列車4 臺ACE 的啟動在25 s 內完成，滿足整列車并網時間要求。從設備啟動流程如圖4 所示。

圖3 選擇輔助逆變器主、從設備流程圖

3.4 緊急啟動控制

在列車存在DC 1 500 V 的條件下，當檢測到ACE 控制電壓低于91 V 時，DC 1 500 V/DC 110 V緊急變換器自動將接觸網上DC 1 500 V 電壓變換為DC 110 V，為輔助逆變器內部的控制電路供電。當檢測到ACE 發送的逆變器低壓啟動指令（Low－BatVoltStart=1）激活時，TCMS 發送啟動信號至此ACE；ACE 收到此信號后啟動。低壓工況下，4 臺ACE 單獨控制啟動。第1 臺輔助逆變器成功啟動后，其他3 臺輔助逆變器啟動時，自動與主輔助逆變器同步電壓及頻率，完成整車輔助逆變器啟動。

輔助逆變器并網啟動成功后，TCMS 控制各負載設備啟動。TCMS 正常的情況下，當任意1 臺輔助逆變器故障時，所有中壓負載正常工作，因此對乘客及列車運行無影響；任意2 臺輔助逆變器故障時，全車空調工作在半冷狀態，其它中壓負載正常工作，因此對乘客及列車運行無較大影響；任意3 臺輔助逆變器故障時，所有客室空調只保留通風，對司機室空調無影響。

圖4 輔助逆變器從設備啟動流程

4 結語

本文在傳統的地鐵車輛輔助逆變器并網控制的基礎上，進行了部分控制策略優化，論述了地鐵車輛上輔助逆變器并網供電控制邏輯和相關控制時序，詳細說明了正常及緊急工況下并網啟動控制策略。此控制策略經過聯調試驗平臺及現場驗證表明，設備穩定、運行良好。