雙源制機車蓄電池模式下輔助系統控制優化

冉德強，聶晶晶，李年鎖

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

常規電力機車在無網區需要內燃機車的牽引，在實際應用中具有局限性。雙源制機車的出現改善了這一現狀，其采用“接觸網+蓄電池”雙源制式[1]。在無網區，采用蓄電池供電，克服了內燃機車的缺點，同時還可以實現零排放、低噪聲、無污染，使機車更加綠色節能[2]。

但影響蓄電池使用的因素，除了安全之外，還有蓄電池的續航問題。目前蓄電池的使用在續航能力和蓄電池體積上不能做到雙重最優化。高續航必然導致機車的蓄電池箱的體積和質量增大，而體積小的蓄電池又無法保證機車擁有足夠的續航里程。所以，提高蓄電池的利用效率，優化控制方式顯得尤為重要。

以靖神雙源制調車機車為例。蓄電池模式的主要應用場景為從站場拖空車去無網區裝煤，裝滿煤后，將重車拖回站場。但在實際應用中的工況往往更為復雜，往往需要根據煤量的多少以及裝煤速度來決定本次作業時間的長短，甚至需要長時間停車等待。蓄電池可能會因為等待時間過長而導致饋電。根據雙源制機車主輔電路的設計方式、設計原理來優化機車靜止工況下的控制邏輯，以達到最優化利用蓄電池的目的。

1 雙源制機車蓄電池系統原理及分析

1.1 蓄電池主輔電路設計

雙源制機車安裝2個獨立的集成輔助逆變器，分別為輔逆1和輔逆2，如圖1所示[3]。機車有4箱蓄電池，分為2組。2組蓄電池都要經過高速斷路器(HSCB)后，為主變流器供電。BMS1、BMS2箱為第一組，通過主變流器1，最終為1架電機和輔逆1供電；BMS3、BMS4箱為第二組，通過主變流器2，最終為2架電機為輔逆2供電。機車輔助負載分為變頻變壓(VVVF)負載和定頻定壓(CVCF)負載。VVVF負載和CVCF負載分別位于VVVF支路和CVCF支路。輔逆1輸出接觸器、輔逆2輸出接觸器、冗余轉換接觸器控制輔助回路的通斷。

圖1 雙源制機車蓄電池主輔電路示意圖

1.2 蓄電池系統運行分析

當機車處于蓄電池模式下時，機車輔逆模式分為正常模式、冗余1模式、冗余2模式[4]。在正常模式下，輔逆1以VVVF方式運行，并為VVVF負載提供電源，例如牽引風機、冷卻塔風機等。VVVF支路由輔逆1輸出接觸器控制通斷；輔逆2以CVCF方式運行，并為CVCF負載提供電源，例如壓縮機、空調等。CVCF支路由輔逆2輸出接觸器控制通斷。

在單個輔逆故障的情況下，通過冗余轉換接觸器可以實現輔逆1或輔逆2的擴展供電。在冗余1模式下，輔逆1能以CVCF方式運行，并為VVVF和CVCF負載提供電源；在冗余2模式下，輔逆2能以CVCF方式運行，并為VVVF和CVCF負載提供電源。在冗余1和冗余2模式下，機車輔助設備只能以CVCF的模式運行。

蓄電池模式下，機車正常運行時，機車輔助系統處于正常模式。4箱蓄電池可以正常牽引，耗電量基本相當，但當機車因故停車需要長時間等待時，由于此時沒有牽引，機車通過主變壓器油溫、主逆變器水溫、牽引電機溫度，綜合計算出來的頻率如果低于20 Hz，為了降低噪聲，所有的牽引風機和冷卻塔風機應停止運行，即輔逆1及VVVF負載停止工作。綜合計算出來的頻率如果高于30 Hz，輔逆1、牽引風機、冷卻塔風機應啟動來降溫。

靜止時，由于輔逆1不工作，故第一組蓄電池耗電量較少。第二組蓄電池通過輔逆2一直為CVCF支路的CVCF負載供電，故第二組蓄電池耗電量較大，造成2組蓄電池耗電量差別較大。特別是在蓄電池模式下，機車長時間靜態運行時，會使兩組蓄電池電量相差巨大。如果此時機車開始動態運行，第二組的蓄電池會提前耗盡，造成機車第2架處于隔離狀態。上述現象會影響機車的整體性能以及運營狀態，嚴重時可能導致機破。長期如此，會造成2組蓄電池使用時間不均衡、壽命不對等，嚴重影響蓄電池的壽命。

2 輔助系統控制優化

2.1 優化方案

鑒于以上的現狀分析，為了解決機車靜止狀態下2組蓄電池用電不均這一問題，擬采取以下措施：機車在蓄電池模式下靜止運行時，當2組蓄電池電量少于1組蓄電池電量達到一定值(取20%)后，在輔逆后端通過程序控制讓輔助系統進入冗余1模式。當輔助系統進入冗余1模式后，輔逆2停止工作，輔逆1擴展供電。所有輔助設備，包括CVCF設備和VVVF設備均以CVCF的模式運行，均由輔逆1供電。當1組蓄電池等于或小于2組蓄電池電量時，機車輔助系統重新切換到正常模式。通過以上措施達到均衡2組蓄電池電量的目的。

當機車進入冗余1模式后，輔逆1以60 Hz運行，所有設備均以定頻定壓工作，導致機車噪聲較大。噪聲的主要來源為牽引風機和冷卻塔風機。經過分析，在靜止狀態下，牽引電機不工作，牽引電機風機和冷卻塔風機卻在運行，造成蓄電池的電量浪費。

為了解決噪聲和電量浪費的問題，借鑒機車正常模式且靜止狀態下，通過綜合計算的頻率來決定牽引風機和冷卻塔風機啟停的方法：即機車在蓄電池模式且靜止運行狀態下，進入冗余1模式后，通過主變壓器油溫、主逆變器水溫、牽引電機溫度，綜合計算出來的頻率如果低于20 Hz，控制牽引風機和冷卻塔風機停機；而當綜合計算出來的頻率高于30 Hz，控制牽引風機和冷卻塔風機啟機。

2.2 實現過程

由TCMS通過軟件優化來解決2組蓄電池耗電量不均衡、冗余模式噪聲大且耗電量高的問題，編程語言為MULTIPROG圖形化語言，過程如下。

1)首先1、2箱蓄電池電量取最小值，3、4箱蓄電池取最小值。2個最小值取差值的20%進行對比，如圖2所示。

圖2 控制優化實現1

2)機車靜止時，當3、4箱蓄電池電量的最小值低于1、2箱蓄電池最小值的20%時，機車進入冗余1模式，輔逆1以CVCF方式運行并為VVVF和CVCF負載提供電源。當3、4箱蓄電池電量的最小值與1、2箱蓄電池電量最小值相等時，退出冗余1模式，進入正常模式，如圖3所示。

圖3 控制優化實現2

3)機車靜止時，進入冗余1模式后，當由變壓器油溫、變流器水溫、電機溫度綜合計算出來的輔逆頻率小于20 Hz時，斷開牽引風機和冷卻塔風機的接觸器，使其停止工作，降低噪聲的同時，又節省了大量的電能；當綜合計算的輔逆頻率大于30 Hz時，重新閉合牽引風機和冷卻塔風機接觸器，使其啟動為相關設備降溫，如圖4所示。

圖4 控制優化實現3

2.3 優化結果

經過在靖神雙源制調車機車上的實際運用，效果良好。靜止狀態下，當3、4箱蓄電池電量的最小值低于1、2箱蓄電池最小值的20%時，機車進入冗余1模式，輔逆1運行頻率為60 Hz。當綜合計算的輔逆頻率大于30 Hz時，牽引風機和冷卻塔風機的接觸器閉合，噪聲較大，此時1、2箱蓄電池輸出電流大約為36 A；當綜合計算的輔逆頻率小于20 Hz時，牽引風機和冷卻塔風機的接觸器斷開，噪聲大小和正常模式下一致，此時1、2箱蓄電池輸出電流為10 A。

由以上數據對比得知：上述2項措施，不但解決了2組蓄電池用電不均衡的問題，也解決了冗余1模式下，輔助設備運行噪聲大的問題；也大大節約了電能。

3 結語

本文對雙源制機車蓄電池模式下輔助系統的控制優化，實現了雙源制機車蓄電池模式下靜態運行時，4箱蓄電池的均勻放電。同時，降低了輔助設備運行的噪聲，節約了大量的電能；避免2組蓄電池使用時間不均衡而嚴重影響蓄電池的壽命；避免在4箱蓄電池電量不均衡時，轉至動態運行，造成機車單架隔離，從而影響機車的整體性能以及運營狀態。

本優化方案可推廣適用于其他具有同靖神雙源制機車主輔電路相似的車型，可用來解決機車靜態運行時，蓄電池放電不均衡、噪聲大、能耗高的問題。該方案適用程度較廣，降噪省電效果明顯。