超級(jí)電容儲(chǔ)能有軌電車牽引風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)優(yōu)化

鄧誼柏 李躍中 李婷婷 司尚卓 陳朝暉

摘要：針對(duì)超級(jí)電容有軌電車車輛頂部空間有限、無法進(jìn)行直接冗余配置輔助逆變器來保證牽引散熱風(fēng)機(jī)冗余供電的問題，提出了一種通過復(fù)用客室空調(diào)風(fēng)機(jī)逆變器在應(yīng)急情況下為牽引風(fēng)機(jī)供電的方法。分析了傳統(tǒng)車輛輔助系統(tǒng)空間布置存在的問題，對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，在不額外增加輔助逆變器的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)牽引風(fēng)機(jī)冗余供電，提升車輛運(yùn)行可用性。分析了司機(jī)在切換操作的可操作性。并對(duì)空調(diào)進(jìn)行了實(shí)際改造，在新風(fēng)腔里增加一個(gè)接觸器電控盒，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引風(fēng)機(jī)的輔助供電。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該方案安全可靠，系統(tǒng)性能更優(yōu)，切換操作流程簡(jiǎn)單，新增器件少且占用空間小。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容;空調(diào)系統(tǒng);風(fēng)機(jī);并聯(lián)供電

中圖分類號(hào)：TM53???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0061-03

Optimization of Traction Fan Power Supply System for Super Capacitor Energy Storage Tram

Deng Yibo1，2，Li Yuezhong3，Li Tingting1，Si Shangzhuo3，Chen Zhaohui3

（1.Ningbo CRRC New Energy Technology Co.， Ltd.， Ningbo， Zhejiang 315112， China;2. College of Electrical Engineering， ZhejiangUniversity， Hangzhou 310027， China;3. CRRC Zhuzhou Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan 412001， China）

Abstract： Aiming at the problem that the overhead space of super capacitor tram vehicle is limited and it is impossible to directly redundant configure auxiliary inverter to ensure the redundant power supply of traction cooling fan， a method of reusing the inverter of air conditioning fan in passenger compartment to supply power to traction fan in emergency was proposed. The problems existing in the spatial layout of the traditional vehicle auxiliary system were analyzed， and the scheme was optimized. On the premise of no additional auxiliary inverter， the redundant power supply of the traction fan could be realized and the vehicle operation availability could be improved. The operability of the driver in switching operation was analyzed. A contactor electric control box was added in the fresh air chamber to realize the auxiliary power supply to the traction fan. The practical application results show that the scheme is safe and reliable， the system performance is better， the switching operation process is simple， the new devices are few and the occupied space is small.

Key words： super capacitor; air conditioner; fan; parallel power supply

0 引言

接觸網(wǎng)供電軌道交通車輛系統(tǒng)如圖1所示，在大多數(shù)情況下，架空接觸網(wǎng)并不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的景觀影響，但在具有悠久人文歷史的城市建筑物、大城市的標(biāo)志性建筑物、有限的垂向限界的高架橋下、隧道或大的道路平交路口等區(qū)域不允許使用架空接觸網(wǎng)，甚至有些城市都不允許使用架空接觸網(wǎng)[1]。

為解決架空接觸網(wǎng)對(duì)景觀的影響，2014年底儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車正式上線運(yùn)營(yíng)，采用超級(jí)電容儲(chǔ)能[2]。在牽引工況時(shí)依靠自身儲(chǔ)能提供動(dòng)力電能運(yùn)行，在電制動(dòng)工況時(shí)儲(chǔ)能電源可將再生制動(dòng)電能吸收再利用;停站時(shí)，由地面充電站利用乘客上下客時(shí)間通過受電器實(shí)現(xiàn)快速充電儲(chǔ)能，保證車輛的無網(wǎng)連續(xù)運(yùn)營(yíng)。超級(jí)電容儲(chǔ)能有軌電車具有綠色、低碳、美觀三大優(yōu)勢(shì)，集靈活、安全便捷于一身，其突出綠色、智能的理念將引領(lǐng)世界軌道交通未來的發(fā)展[3-4]。

在全球面臨能源危機(jī)和可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，交通約占世界能源使用總量的20%，城市交通占其約40%[5]。超級(jí)電容有軌電車的研制成功不但提升了能量的利用效率，同時(shí)也解決了有些城市使用架空接觸網(wǎng)對(duì)城市景觀的影響[6]。

超級(jí)電容應(yīng)用于有軌電車解決了環(huán)境視覺污染等問題，提升了能量利用效率。但由于有軌電車設(shè)備全部布置在車頂，增加超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)后，就需要對(duì)車輛的布置進(jìn)行極大的優(yōu)化，對(duì)于車輛某些設(shè)備就無法通過冗余配置來保證其可靠工作。比如在國(guó)內(nèi)的地鐵車輛中，為提高輔助系統(tǒng)的供電可靠性，采用了并網(wǎng)供電和交叉供電的方案[7-8]，并取得了一定的效果。對(duì)輔助逆變電源并聯(lián)運(yùn)行控制研究[9-10]也驗(yàn)證其具備較好的同步性。項(xiàng)目在執(zhí)行過程中就面臨冗余配置輔助逆變器的辦法來保證牽引風(fēng)機(jī)的可靠供電，因此本文提出了儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車牽引風(fēng)機(jī)的并聯(lián)供電的方案，是在車輛不額外增加空間、設(shè)備的基礎(chǔ)上，從車輛系統(tǒng)角度進(jìn)行解決問題。

1 傳統(tǒng)輔助系統(tǒng)空間布置

圖2所示為傳統(tǒng)車輛的輔助系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D，整車通過兩臺(tái)輔助逆變器給全車提供穩(wěn)定的交流和直流電壓，其中一個(gè)輔助逆變器無交流輸出，所以僅通過一臺(tái)15 kVA輔助逆變器為整車提供交流輔助電源。交流負(fù)載包括3臺(tái)牽引風(fēng)機(jī)（0.7 kW/臺(tái)）和2臺(tái)司機(jī)室空調(diào)（ 1.67 kW/臺(tái)）。

輔助逆變器故障對(duì)交流網(wǎng)絡(luò)影響最大的是牽引風(fēng)機(jī)，如果該輔助逆變器出現(xiàn)故障，3個(gè)牽引箱的風(fēng)機(jī)都將無法正常工作，最終導(dǎo)致牽引逆變器散熱不暢也無法實(shí)現(xiàn)其具體功能。

2 牽引風(fēng)機(jī)供電方案優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

為了解決輔助逆變器故障造成的風(fēng)機(jī)無法工作的問題，考慮將客室空調(diào)的逆變器三相輸出和列車的三相母線并聯(lián)共同為牽引風(fēng)機(jī)提供交流電源。

在 T 模塊和 M 模塊分別安裝一臺(tái)高壓直流變頻空調(diào)，在超級(jí)電容正常工作時(shí)，高壓變頻空調(diào)將繼續(xù)工作而不受輔助逆變器影響，所以將客室空調(diào)的逆變器輸出引入列車的三相母線將增加了牽引風(fēng)機(jī)的電源冗余。但是為了保證空調(diào)系統(tǒng)的逆變器和輔助逆變器不出現(xiàn)并網(wǎng)的情況，將在客室空調(diào)逆變器輸出端增加輸出接觸器;同時(shí)切除原本掛接在空調(diào)逆變器下的空調(diào)風(fēng)機(jī)，即啟動(dòng)該冗余電源系統(tǒng)后客室空調(diào)系統(tǒng)將損失部分制冷功能。

2.2 供電優(yōu)化分析

當(dāng)前輔助逆變器三相輸出的原理如下：正常情況下是由列車網(wǎng)絡(luò)根據(jù)輔助逆變器的工作狀態(tài)通過 SKS模塊控制=33-K01接觸器來實(shí)現(xiàn)輔助逆變器與列車三相母線的通斷。

由于輔助逆變器三相輸出出現(xiàn)故障后有再次投入的風(fēng)險(xiǎn)，故在屏柜中增加一個(gè)輔逆三相切除的旋鈕，用來手動(dòng)切除輔助逆變器，切除后輔助逆變器的三相輸出將與列車三相母線隔離。在屏柜中增加了三相母線隔離旋鈕，驅(qū)動(dòng)繼電器=33-K02，通過=33-K02繼電器的動(dòng)作使=33-K01動(dòng)作，從而將輔助逆變器從車輛三相母線上分離。

該項(xiàng)目中新增列車線纜貫穿全車，通過該硬線列車線可以將輔助逆變器的三相切除命令發(fā)送給2臺(tái)客室空調(diào)和2臺(tái)司機(jī)室空調(diào)，司機(jī)室空調(diào)收到命令后將停止工作，客室空調(diào)收到命令后將切除部分制冷同時(shí)將空調(diào)逆變器投入列車三相母線，實(shí)現(xiàn)給牽引風(fēng)機(jī)供電。

2.3 供電切換操作流程

由于輔助逆變器無網(wǎng)絡(luò)功能，所以從輔助逆變器三相輸出切除到客室空調(diào)逆變器投入/斷開必須由人工干預(yù)才能完成，圖 3所示為從輔助逆變器故障到輔助逆變器正常時(shí)的動(dòng)作流程。

3 供電優(yōu)化方案實(shí)施

在通風(fēng)機(jī)供電回路中增加2個(gè)接觸器 KM1、KM2。空調(diào)正常工作的時(shí)候， KM1吸合， KM2釋放， KM1和 KM2硬件互鎖。當(dāng)空調(diào)接收到輔助逆變器三相切除信號(hào)持續(xù)一定時(shí)間后，空調(diào)關(guān)機(jī)，通風(fēng)機(jī)停止工作，KM1釋放，再間隔數(shù)秒后 KM2吸合，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，通風(fēng)機(jī)變頻器啟動(dòng)，牽引風(fēng)機(jī)正常工作。當(dāng)空調(diào)接收到輔助逆變器故障解除信號(hào)持續(xù)一定時(shí)間后，通風(fēng)機(jī)逆變器停止工作，KM2釋放，再間隔數(shù)秒后 KM1吸合，空調(diào)根據(jù)硬線信號(hào)的指令工作。當(dāng)空調(diào)重啟后，將重新保持 KM1閉合、KM2斷開。

改造后的原理如圖4所示。同時(shí)對(duì)原有的空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)不做改動(dòng)，在新風(fēng)腔里增加一個(gè)接觸器電控盒，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引風(fēng)機(jī)的輔助供電，對(duì)應(yīng)的空調(diào)實(shí)物改造如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文通過研究冗余供電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車牽引風(fēng)機(jī)的并聯(lián)供電的方案，實(shí)現(xiàn)了不增加輔助逆變器的情況下在輔助逆變器發(fā)生故障時(shí)為牽引風(fēng)機(jī)的冗余供電。該方案是一種備用式供電系統(tǒng)創(chuàng)新，方案目前分析方法已經(jīng)運(yùn)用到廣州、淮安和武漢等100多列現(xiàn)代有軌電車上，結(jié)果表明其安全可靠，切換操作流程簡(jiǎn)單，新增器件少且占用空間小，運(yùn)行良好。

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第一作者簡(jiǎn)介：鄧誼柏（1981-），男，博士，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)檐壍澜煌ㄜ囕v總體設(shè)計(jì)及其儲(chǔ)能系統(tǒng)與新能源技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。???????????????????????????? （編輯：王智圣）