軌道交通車輛弱電系統不間斷電源控制方法

孫 博

（大連日佳電子有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

在城市軌道交通領域當中，弱電系統的種類眾多，并且其結構復雜。弱電系統的運行是否穩定，直接關系到整個軌道交通的安全。因此，弱電系統在其使用的過程中，不僅需要具有較高的可靠性，還應當為其配備相應的應急供電電源，確保弱電系統能夠實現不間斷的運行[1]。由于弱電系統當中，具備不同功能的硬件設備，其不間斷電源的規格、型號都各不相同，傳統控制方法通常是采用分別控制的方法，針對不同的電源分別進行控制。但這種方法在實際應用中十分不利于各類資源的共享，還會導致軌道交通車輛在其運營的過程中需要大量的維護工作量，對于蓄電池的維護也十分困難，嚴重影響著軌道交通車輛的正常運行。因此，針對這一問題，本文為解決傳統控制方法存在的弊端，提出一種全新的電源控制方法。

1 不間斷電源控制方法設計

此次對軌道交通車輛弱電系統不間斷電源進行控制，首先整合軌道交通車輛弱電系統電源，確保弱電系統供電的穩定性；其次，引入電流環控制器，確保逆變輸出的動態性能，使電流控制在一定范圍內；最后，基于差值補償函數實現電源準確控制。

1.1 整合軌道交通弱電系統電源

在軌道交通車輛弱電系統當中，不間斷電源主要為通信設備、信號設備、火災報警設備等提供電源。為了確保本文控制方法的控制效率，本文采用一種整合控制的方式，實現對不同電源進行統一控制[2]。在控制前，首先對各電源進行整合，軌道交通車輛的弱電系統在運行過程中只要依靠直流操作電源完成，因此將通信、信號、安全門、閘門等硬件設備及結構的不間斷直流電源看作是整個直流電源的負載，并在弱電系統的各個入口位置上，根據弱電系統運行的需要，對電源種類進行選擇，并將其分別引入到相應的模塊當中。整合后軌道交通弱電系統開關電源如圖1所示。

對軌道交通車輛當中各個弱電系統均設置2路獨立存在的交流輸入電源，并在輸入側加裝進線電源切換設備[3]。若在實際車輛運行過程中，弱電系統2路交流輸入電源均出現了故障問題，導致其無法實現電力傳輸，則此時統一由直流電源的蓄電池為各個弱電系統提供不間斷電源。

1.2 引入電流環控制器

在對不間斷電源進行控制時，為了確保電源能夠實現恒壓恒頻的狀態，本文在控制過程中引入電流環控制器，將其安裝在弱電系統的不間斷電源上。在電流環控制器當中，導入半橋逆變裝置的控制模型，利用其帶寬和相角裕度滿足不間斷電源性能和穩定度要求，圖2為電流環控制器連接結構示意圖。

圖2 電流環控制器連接結構示意圖

由于在實際控制過程中，不間斷電源為弱電系統提供能量會出現設備投載和卸載或空載、滿載反復切換的現象[4]。因此，為了使不間斷電源的輸出量能夠實現對正弦波的跟蹤，此時電流環若運行過快，則輸出的電壓會出現跌落現象，造成較大的電流用于對電壓跌落的補償，若沒有在電流環控制器當中加入電路限制用于對電流進行控制，則會造成弱電系統的電流過大，進而發生損壞，電壓、電流控制裝置如圖3所示。因此，本文在引入電流環控制器時，選用雙環控制裝置，確保逆變輸出的動態性能，從而將電流始終控制在合理的范圍內。

圖3 電壓、電流校正裝置

1.3 基于差值補償函數實現電源控制

為了確保在對不間斷電源控制的過程中，弱電系統能夠保證更加穩定的運行狀態，需要對不間斷電源電壓運行時產生的差值進行補償。本文選擇在引入的電流環控制器當中，添加對電源電壓運行差值的補償函數，其函數的表達式如公式（1）所示：

公式（1）中，Pcompensate表示為電源電壓運行差值補償值；M表示為不間斷電源帶寬；α表示為電源相位裕度；n表示為標準頻率下相位滯后補償系數。實際在計算工程中，將低頻段上的增益設置為無窮大，高頻段快速衰減，以此實現弱電系統的零靜差跟蹤，確保電源在控制的過程中得到快速響應[5]。在對不間斷電源進行控制的過程中，由電流環控制器對產生電源電壓運行差值時的不間斷電源進行控制，以此確保電源電壓運行差值始終在合理的范圍內，確保弱電系統的穩定運行。

2 對比實驗

根據本文上述研究內容，實現了對軌道交通車輛弱電系統不間斷電源控制方法的理論設計，為了進一步驗證該方法在實際應用中的性能，本文以某城市軌道交通車輛為例，將其作為實驗對象，分別利用本文提出的控制方法和傳統控制方法對其弱電系統的不間斷電源進行控制。為了方便對兩種控制方法的比較，本文將弱電系統在運行過程中電源電壓的穩定性作為對比指標。在實驗過程中，分別記錄兩種不同控制方法下弱電系統的電源電壓，實驗檢測過程如圖4所示。

圖4 城市軌道交通弱電系統實驗圖

通過計算得出其相應的電源電壓運行差值，將實驗結果記錄如表1所示。

表1 兩種控制方法實驗結果對比表

從表1中的實驗結果可以看出，本文控制方法下電源電壓運行差值均小于±0.5 V，而傳統控制方法下電源電壓運行差值均超過±3.0 V。電源電壓運行差值越小，則表示該控制方法下弱電系統的電源電壓運行越穩定；反之，電源電壓運行差值越大，則表示該控制方法下弱電系統的電源電壓運行越不穩定。通過在實驗過程中發現，本文在控制方法當中引入了電流環控制器并在其內部增設了針對電源電壓運行差值的補償函數，因此在出現運行差值較大的情況下，能夠在第一時間通過控制器對電源電壓進行調節。因此，通過對比實驗證明，本文提出的控制方法在應用于實際軌道交通車輛的弱電系統當中，能夠有效提高弱電系統的運行穩定性。

3 結束語

本文針對當前軌道交通車輛弱電系統不間斷電源采用的傳統控制方法存在的弊端問題，開展相關研究，通過研究提出一種全新的電源控制方法。通過實驗證明了該方法在實際軌道交通當中能夠得到具體應用，具有較高的創新性。但由于研究能力有限，本文在設計控制方法時，未考慮到不間斷電源的電壓振蕩問題，因此仍然存在會出現電源電壓無法及時得到控制的問題，針對這一問題，本文控制方法還有進一步優化和改善的空間。