有軌電車交流供電系統(tǒng)的設(shè)計

關(guān)鍵詞：有軌電車；交流供電；整流；逆變；冗余控制；供電可靠性

中圖分類號：U284.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）14-0017-06

DOI： 10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.14.003

Design of AC Power Supply System for Trams

LI Jincheng'QIU Ge2 （1.CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.， Zhuzhou 4120O1， China; 2.Delta Electronics （Shanghai） Co.，Ltd.， Shanghai ， China）

Abstract： [Purposes] As a vital component of urban green transportation，modern trams require highly reliable power supply systems to ensure operational safety. This study aims to address critical issues in conventional AC power supply systems，including three-phase imbalance under high-power single-phase AC loading and insufficient reliability in critical load power supply，thereby enhancing system stability.[Methods] Based on redundancy control principles，an innovative dual-power coordinated supply architecture integrating AC/AC and DC/AC converters is proposed.A smart switching system is designed，combining network and manual control modes for single-phase AC load power supply，incorporating key technologies such as power conversion logic，fault detection mechanisms，and time-delay protection.[Findings] Engineering applications demonstrate significant performance improvements： a 29% （20 reduction in auxiliary inverter failure rates，a 73% decrease in train delay incidents，and guaranteed continuity in critical load power supply，substantially enhancing overall system reliability.[Conclusions] The proposed redundant power supply scheme effctively addresses critical technical challnges in tram power systems， ofering an innovative approach for optimizing rail transit power supply architectures with significant practical application value.

Keywords： tram; AC power supply; rectification; inversion; redundant control; power supply reliability

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)和公共交通需求的持續(xù)增長，現(xiàn)代有軌電車以其環(huán)保、高效和靈活的特點(diǎn)，逐漸成為城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[1-2]。供電系統(tǒng)作為有軌電車的核心部分，其穩(wěn)定性和可靠性對于提高列車運(yùn)行安全和運(yùn)營效率具有重要意義[3]。目前，國內(nèi)外軌道列車的AC220V負(fù)載供電主要采用輔助逆變器單相直接輸出的方式[4-5]。然而，當(dāng)面臨大功率單相交流負(fù)載時，這種傳統(tǒng)供電方式會造成有軌電車的供電系統(tǒng)出現(xiàn)輔助逆變器三相不平衡等問題，進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)鍵交流負(fù)載供電可靠性不足，嚴(yán)重制約了有軌電車的運(yùn)營表現(xiàn)。基于此，本研究提出一種創(chuàng)新的交流供電方案，通過構(gòu)建AC/AC和DC/AC雙電源協(xié)同供電架構(gòu)，并結(jié)合智能切換控制策略，降低大功率單相交流負(fù)載下輔助逆變器的故障率，提升列車關(guān)鍵交流負(fù)載的供電可靠性，從而降低故障停車的概率。該方案借鑒了并聯(lián)供電模式的冗余設(shè)計理念[8，為提高有軌電車供電系統(tǒng)性能提供了新的技術(shù)路徑，對促進(jìn)城市綠色交通發(fā)展具有重要意義。

1傳統(tǒng)交流供電技術(shù)分析

1.1地鐵車輛三相交流平衡分析

地鐵車輛通常采用6編組或8編組設(shè)計，其設(shè)備安裝空間較為充裕，通常在底架配置2臺或4臺輔助逆變器，輸出三相四線制的交流電。為滿足車輛調(diào)試過程中試驗(yàn)設(shè)備（如筆記本電腦、示波器等）的用電需求，每個車廂均配置1個方便插座，用于提供AC220V電源。由于地鐵車輛的輔助逆變器容量較大，而方便插座所接負(fù)載的功率相對較小，所以單相交流供電通常直接從輔助逆變器輸出的某一相取電，并與中性線形成供電回路，具體如圖1所示。得益于輔助逆變器的高容量和單相負(fù)載的低功率，方便插座引起的三相不平衡度微乎其微，對輔助逆變器的運(yùn)行幾乎不產(chǎn)生影響。此外，地鐵車輛的直流母線電壓為DC110V，窗玻璃加熱和足部取暖器的總功率通常低于 2kW，DC 110V 的供電完全能夠滿足其運(yùn)行要求，因此窗玻璃加熱和足部取暖器一般通過DC110V進(jìn)行供電。

1.2傳統(tǒng)有軌電車三相交流平衡分析

與地鐵車輛不同，有軌電車受安裝空間和成本影響，通常僅配置1臺輔助逆變器為車輛負(fù)載提供三相交流電。輔助逆變器的輸出電壓分為三相三線制和三相四線制兩種。由于有軌電車的直流母線電壓為DC24V，考慮到大電流的影響，一般功率較高的設(shè)備采用AC220V或AC380V供電。車輛上常見的 AC220V 單相負(fù)載主要有方便插座、足部取暖器、窗玻璃加熱等[9]

圖1傳統(tǒng)技術(shù)中的三相四線制交流供電電路

在三相四線制系統(tǒng)中，有軌電車的AC220V單相交流負(fù)載供電方式與地鐵車輛類似，直接從輔助逆變器輸出的某一相取電，并與中性線形成供電回路。而在三相三線制系統(tǒng)中，則需要額外增設(shè)1個變壓器，將輔助逆變器輸出端的兩相電壓通過AC 380V～AC 220V 變壓后為AC220V單相負(fù)載供電，具體如圖2所示。

圖2傳統(tǒng)技術(shù)中的三相三線制交流供電電路

對于一些嚴(yán)寒地區(qū)，有軌電車所需配置的加熱負(fù)載較高，由于有軌電車的輔助逆變器數(shù)量和容量有限，當(dāng)AC220V單相交流負(fù)載較大時，上述兩種供電方式均可能造成輔助逆變器三相輸出嚴(yán)重不平衡，進(jìn)而影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至觸發(fā)輔助逆變器的保護(hù)裝置，降低車輛的可靠性。此外，當(dāng)輔助逆變器發(fā)生故障時， AC220V 單相負(fù)載將無法工作，部分關(guān)鍵設(shè)備（如窗玻璃加熱）的停機(jī)可能導(dǎo)致列車無法正常運(yùn)行。

2有軌電車交流供電電路設(shè)計

根據(jù)上述分析可知，大功率的單相交流負(fù)載是導(dǎo)致有軌電車輔助逆變器三相不平衡的直接因素。當(dāng)三相不平衡達(dá)到一定程度時，將會觸發(fā)輔助逆變器的保護(hù)機(jī)制，使列車所有的輔助供電中斷，進(jìn)而影響列車正常行駛。因此，可以通過對有軌電車交流供電電路進(jìn)行設(shè)計，以消除大功率單相交流負(fù)載對輔助逆變器三相平衡的影響。同時，通過冗余供電的方式提高窗玻璃加熱等關(guān)鍵交流負(fù)載的供電可靠性，從而提升車輛的運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。

2.1 供電電源設(shè)計與負(fù)載分類

以崇禮太子城有軌電車為例，兩端司機(jī)室各配置了1個方便插座、1套前窗加熱絲、1套側(cè)窗加熱絲和1個足部取暖器，車輛正常運(yùn)行時只需開啟司機(jī)室占有端的加熱負(fù)載即可，其額定總功率為 3.6kW 。由于有軌電車設(shè)備安裝空間有限，且受功率器件的限制，目前行業(yè)內(nèi)的 DC24V～AC220V 的逆變電源容量無法滿足其供電要求，所以考慮通過輔助逆變器為單相交流負(fù)載供電。為避免單相負(fù)載帶來的三相不平衡問題，系統(tǒng)增加了1個AC/AC電源裝置，其工作原理如圖3所示。AC/AC電源裝置從輔助逆變器輸出的三相取電，首先整流為直流電，經(jīng)過高頻DC/DC電路和高頻隔離變壓器隔離，降壓到DC350V直流母線電壓；其次經(jīng)過IGBT逆變，成為單相AC 220V 、50Hz 交流電；最后通過濾波環(huán)節(jié)輸出。

AC/AC電源裝置整流和逆變過程能夠有效消除三相不平衡的影響，即使在負(fù)載分布不均或功率波動較大的情況下，輔助逆變器輸出的三相電壓仍然能夠保持平衡，這不僅提高了供電質(zhì)量，還延長了輔助逆變器的使用壽命，同時為車輛其他用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

為避免輔助逆變器故障或AC/AC電源裝置故障時所有單相交流負(fù)載停機(jī)導(dǎo)致列車無法正常運(yùn)行的情況，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載對于列車運(yùn)行的重要性，將其分為關(guān)鍵負(fù)載和非關(guān)鍵負(fù)載，并分開進(jìn)行供電控制。例如，若前窗玻璃加熱絲和側(cè)窗玻璃加熱絲供電中斷，則會造成玻璃無法除霜，影響司機(jī)視線，進(jìn)而導(dǎo)致列車無法正常行駛；而方便插座和足部取暖器的供電中斷則不會對列車行駛造成嚴(yán)重影響，車輛可回庫后再作相應(yīng)處理。因此，將前窗玻璃加熱絲和側(cè)窗玻璃加熱絲列為關(guān)鍵負(fù)載，方便插座和足部取暖器則列為非關(guān)鍵負(fù)載。其中，前窗玻璃加熱絲和側(cè)窗玻璃加熱絲的總功率不超過 2kW ，當(dāng)輔助逆變器故障或AC/AC電源裝置故障時，可通過引人DC/AC電源裝置，將DC24V直流電逆變?yōu)锳C220V交流電為車輛關(guān)鍵負(fù)載供電，確保列車能夠繼續(xù)正常運(yùn)行。

2.2 交流供電電路設(shè)計

為提升車輛關(guān)鍵交流負(fù)載供電的可靠性，采用雙電源冗余為其供電。正常情況下，輔助逆變器通過AC/AC電源裝置為車輛所有的單相交流負(fù)載供電；當(dāng)輔助逆變器或AC/AC電源裝置發(fā)生故障時，系統(tǒng)會切換至DC/AC電源裝置為車輛的關(guān)鍵交流負(fù)載供電。將AC/AC和DC/AC電源裝置并聯(lián)接入AC220V的母線上，并通過列車線進(jìn)行貫通，具體如圖4所示。AC/DC電源裝置與輔助逆變器安裝在列車一單元的車頂處，DC/DC電源裝置與充電機(jī)安裝在列車二單元的車頂處。

為實(shí)現(xiàn)AC/AC和DC/AC電源裝置的協(xié)同工作，通過接觸器 KM1～KM4 控制電源和負(fù)載投入與退出，具體如圖5所示。當(dāng)輔助逆變器正常工作時，KM1?KM3 和KM4的主觸點(diǎn)閉合， KM2 的主觸點(diǎn)斷開，輔助逆變器輸出的三相交流電經(jīng)AC/AC電源裝置變換后為車輛所有的 AC220V 單相負(fù)載供電，此時DC/AC電源裝置不輸出；當(dāng)輔助逆變器故障時， KM1，KM3 和KM4的主觸點(diǎn)斷開，KM2的主觸點(diǎn)閉合，DC/AC電源裝置將DC24V直流電逆變?yōu)锳C220V的交流電，并通過列車線為車輛關(guān)鍵的AC220V單相負(fù)載供電，此時非關(guān)鍵的AC220V 的負(fù)載不工作，AC/AC電源裝置不輸出，車輛在關(guān)鍵負(fù)載正常工作的情況下可繼續(xù)維持行駛。

圖3AC/AC電源裝置工作原理

圖4交流系統(tǒng)供電電路

這種冗余設(shè)計確保了即使在輔助逆變器故障的情況下，車輛的窗玻璃加熱等關(guān)鍵負(fù)載仍能正常運(yùn)行。另外，牽引風(fēng)機(jī)可通過空調(diào)的三相交流輸出進(jìn)行緊急供電[，從而提高了車輛的運(yùn)行可靠性和安全性。

圖5交流電源供電轉(zhuǎn)換電路

3控制策略與實(shí)現(xiàn)

為提升雙電源切換的安全性和自動化水平，提高系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性，該控制設(shè)計主要采用網(wǎng)絡(luò)控制的方式實(shí)現(xiàn)AC/AC和DC/AC電源裝置的自動轉(zhuǎn)換。但當(dāng)車輛網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，還能夠進(jìn)行人工緊急切換，從而最大限度保證車輛的正常行駛功能。另外，為避免兩路電源切換過程中電壓疊加導(dǎo)致的過壓風(fēng)險，以及DC/AC電源裝置未完成輸出切除時非關(guān)鍵AC220V負(fù)載投入導(dǎo)致的過載問題，還需考慮延時保護(hù)設(shè)計，確保在切換瞬間只有一個電源為負(fù)載供電。

3.1 網(wǎng)絡(luò)控制策略

網(wǎng)絡(luò)控制通過延時繼電器控制兩路電源的切換，具體如圖6所示。其中，KM5和KM7為失電延時繼電器，KM6為得電延時繼電器。輔助逆變器、AC/AC和DC/AC電源裝置通過網(wǎng)絡(luò)接口和硬線接口實(shí)時反饋其工作狀態(tài)至列車控制系統(tǒng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常情況下，旋鈕 s1.s2 處于“分\"位置，列車控制系統(tǒng)根據(jù)輔助逆變器、AC/AC和DC/AC電源裝置的狀態(tài)控制I0模塊1、2、3的電平信號，從而控制AC/AC電源裝置和DC/AC電源裝置的輸出轉(zhuǎn)換以及負(fù)載的投入。以下為幾種工況的網(wǎng)絡(luò)控制策略。

① 輔助逆變器和AC/AC電源裝置正常工作時，IO模塊1、2輸出持續(xù)的高電平信號，I0模塊3輸出持續(xù)的低電平信號。此工況下，AC/AC電源裝置為整車所有的AC220V負(fù)載供電，DC/AC電源裝置不

輸出。

② 輔助逆變器或AC/AC電源裝置故障，而DC/AC電源裝置正常時，I0模塊1、2立即輸出持續(xù)的低電平信號，IO模塊3延時T1（可調(diào)）后輸出持續(xù)的高電平信號。此工況下，能夠立即切除輔助逆變器至AC/AC電源裝置的三相交流輸出和整車非關(guān)鍵負(fù)載，并經(jīng)時間T1后，由DC/AC電源裝置為整車關(guān)鍵負(fù)載供電。

③ 當(dāng)輔助逆變器和AC/AC電源裝置故障恢復(fù)后，IO模塊1、2延時T2（可調(diào)）后輸出持續(xù)的高電平信號，I0模塊3立即輸出持續(xù)的低電平信號。此工況下，能夠立即切除DC/AC電源裝置輸出，并經(jīng)時間T2后，由AC/AC電源裝置為整車所有的AC220V交流負(fù)載供電。

④ DC/AC電源裝置故障時，IO模塊3輸出持續(xù)的低電平信號，KM2主觸點(diǎn)斷開，將DC/AC電源裝置與AC220V母線隔離。

在網(wǎng)絡(luò)控制模式下，系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測輔助逆變器、AC/AC和DC/AC電源裝置的工作狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)信號控制接觸器的通斷。當(dāng)檢測到故障發(fā)生時，系統(tǒng)能夠迅速自動進(jìn)行電源切換，這種快速且穩(wěn)定的切換機(jī)制能夠確保車輛在故障狀態(tài)下仍能平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2手動控制策略

手動控制則是在列車兩端司機(jī)臺各增加1個兩位置的自鎖旋鈕，以控制兩路電源的手動切換。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信故障或緊急工況時，輔助逆變器、AC/

圖6交流供電轉(zhuǎn)換控制電路

AC和DC/AC電源裝置的工作狀態(tài)通過硬線反饋至司機(jī)室。IO模塊1、2持續(xù)輸出高電平信號，IO模塊3持續(xù)輸出低電平信號，此時需要手動進(jìn)行電源的切換。以下為幾種工況的手動控制策略。

① 當(dāng)輔助逆變器和AC/AC電源裝置正常工作時，司機(jī)操作S1和S2至“分\"位，AC/AC電源裝置為整車所有AC220V負(fù)載供電，DC/AC電源裝置不輸出。

② 當(dāng)輔助逆變器或AC/AC電源裝置故障，DC/AC電源裝置正常時，司機(jī)可操作任一端的S1或S2至“合\"位，能夠立即切除輔助逆變器至AC/AC電源裝置的三相交流輸出和整車非關(guān)鍵負(fù)載，并經(jīng)時間T1 （可調(diào)）后，由DC/AC電源裝置為關(guān)鍵負(fù)載供電。

③ 當(dāng)輔助逆變器和AC/AC電源裝置故障恢復(fù)后，司機(jī)操作S1和 ?S2 至“分\"位，能夠立即切除DC/AC電源裝置輸出，并經(jīng)時間T2（可調(diào)）后，AC/AC電源裝置為所有的AC220V負(fù)載供電。

手動控制模式下，延時繼電器同樣能夠保證切換過程的穩(wěn)定性。手動切換的時間延遲可靈活進(jìn)行設(shè)置，這種手動冗余設(shè)計為車輛在極端情況下的運(yùn)行提供了可靠的保障。

4實(shí)際效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證該方案的實(shí)際效果，研究團(tuán)隊在崇禮太子城有軌電車項目中首次展開了技術(shù)應(yīng)用，并進(jìn)行了為期12個月，共10萬 km 的運(yùn)行測試。對比傳統(tǒng)方案廣州海珠有軌電車的運(yùn)行數(shù)據(jù)（見表1），得出以下結(jié)論。

表1新舊方案性能對比

① 在輔助逆變器可靠性方面，與傳統(tǒng)供電方案相比，輔助逆變器未因三相不平衡觸發(fā)停機(jī)故障，其整體故障率降低 29% 。

② 在運(yùn)營可靠性方面，列車因交流系統(tǒng)供電問題導(dǎo)致的延誤事件減少了 73% 。冗余供電設(shè)計確保了關(guān)鍵交流負(fù)載的持續(xù)供電，大幅降低了因供電故障導(dǎo)致的運(yùn)營中斷。

③ 在供電系統(tǒng)可用性方面，因輔助逆變器故障率降低，且關(guān)鍵單相交流負(fù)載供電可靠性增加，列車供電系統(tǒng)的整體可用性增加了 0.9% ，使得列車的運(yùn)營具有更優(yōu)的表現(xiàn)

這些數(shù)據(jù)充分證明了該設(shè)計在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)越性，為有軌電車交流供電系統(tǒng)的優(yōu)化提供了可靠的技術(shù)路徑。

5結(jié)語

本研究針對傳統(tǒng)城軌車輛的交流供電系統(tǒng)進(jìn)行了深入探討，通過合理的電路設(shè)計和控制策略，有效解決了傳統(tǒng)技術(shù)中有軌電車存在的輔助逆變器三相不平衡和關(guān)鍵單相交流負(fù)載供電可靠性不足的問題。該供電電路具有較高的自動化水平和安全性，能夠滿足有軌電車在不同工況下的供電需求，為有軌電車的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保障。實(shí)際應(yīng)用顯示，輔助逆變器的故障率降低 29% ，列車延誤減少 73% 。該方案為軌道交通供電系統(tǒng)升級提供了新思路，未來，隨著軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展，該供電電路有望在更多的有軌電車項目中得到應(yīng)用和推廣，為城市軌道交通的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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（欄目編輯：孫焱）