城市轨道交通车辆辅助逆变电源的发展趋势

马颖涛

城市轨道交通车辆辅助逆变电源的发展趋势

马颖涛1，2

（1.中国铁道科学研究院机车车辆研究所，100044，北京；2.北京纵横机电技术开发公司，100094，北京//助理研究员）

以轻量化为主线，从供电模式、变流器拓扑结构、新器件应用三个方面，综述了城市轨道交通车辆辅助逆变电源的发展趋势。随着技术的进步，辅助逆变电源朝着轻量化的方向不断改进：采用并联供电方式替代扩展供电和交叉供电，降低整车电源总容量；采用中频化技术，取消工频隔离变压器，降低体积质量；采用碳化硅（SiC）器件替代Si基IGBT（绝缘栅双极晶体管），减小电感、电容、冷却系统的体积质量。以并联供电、中频化技术、新器件应用为代表的轻量化技术是城市轨道交通车辆辅助逆变电源的发展趋势。

城市轨道交通车辆；辅助逆变电源；轻量化

Author′s addressLocomotive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，100044，Beijing，China

近年来，我国城市轨道交通（以下简为“城轨”）建设快速发展，城轨车辆需求旺盛。据不完全统计，仅2016年全国就有59个城轨车辆招标，车辆需求达9 794辆。据此推算，仅其中牵引系统（包括辅助逆变电源（APS））的投入即超百亿元。

APS是牵引系统的重要组成部分，为全列车的中压交流负载供电。文献［1-5］针对供电制式和逆变电源的电路选型展开了对比，但技术发展的脉络仍有待梳理。

轻量化是公认的综合水平的最佳体现。功率密度是轻量化的量化指标，功率密度越高，说明轻量化水平越高。APS经历数10年的发展演化，虽然具体技术种类多样［6］，但轻量化贯穿始终。本文以轻量化为主线，从供电方式、变流器拓扑结构、新器件应用等方面对这三类近年来的热点技术进行讨论分析，梳理发展趋势，为业主和主机厂提供设计参考。

1 辅助逆变电源规格与轻量化

1.1规格

APS通常也被称为辅助变流器、辅助逆变器、静止逆变器（SIV），是城轨车辆的重要设备。其将列车的直流750 V或1 500 V供电变换为中压380 V三相交流电，为列车上的中压负载供电。

APS的负载既包括关乎列车制动、牵引设备正常工作的空气压缩机、冷却风机，也包括影响乘客舒适度的空调、照明等设备。因此，列车对辅助供电系统的可靠性要求较高。

列车对APS最基本的需求是：容忍输入直流电压的波动和负载的变化，实现交流输出电压的稳定。APS的基本规格参数皆围绕此需求展开。

以某直流1 500 V供电APS为例，其基本的规格参数如表1所示。其中，输入参数描述APS对输入直流电压的容忍能力；输出参数描述APS交流输出电压的性能指标；总体信息描述APS整机规格和功能；其它信息包括APS容许负载的信息。

1.2轻量化水平

轻量化最能体现APS的综合技术水平。在满足用户需求的前提下，通常越是性能优异、技术先进，其体积越小、质量越轻。轻量化、小型化是技术进步的永恒主题。

表1 某型号APS基本技术参数

功率密度越高，则轻量化程度越高。现选取国内外著名品牌的代表产品（见表2），介绍当前APS的轻量化水平。

表2 APS代表产品

图1所示为各代表产品的功率密度对比。目前，我国大部分APS都采用工频化技术，西门子的MTP_MF中频化平台APS的功率密度显著领先同类产品，是国内市场的代表产品。日系APS产品通常采用自然冷却，因此轻量化水平并不高。

APS通过自身减重，降低车辆载荷，能实现持久的节能效益。以功率密度为0.092kVA/kg的日系产品为例，如果其功率密度能提高到0.15kVA/kg，则单个变流器减重540kg。若列车上APS单元个数较多，APS轻量化带来的节能效果将更明显。

图1 APS功率密度对比

2 供电方式

考虑到可靠性和冗余设计，列车通常需要多台APS。多台APS应考虑如何配合为中压系统供电，并满足供电可靠性的需求。

不同供电方式下，电路结构和软件控制的复杂程度、物料成本有显著区别。在保证满足整车需求的前提下，讨论不同供电制式对于APS容量的需求和对轻量化的影响。

2.1集中式供电

集中式供电有扩展供电和交叉供电两种方式。通常集中式供电采用2台APS。若APS的数量增多，则整个中压供电系统会过于复杂，影响经济性。

（1）扩展供电。中压母线从列车中间分为两段，之间设置扩展供电接触器，全列车2台APS分别为其所在半列中压母线供电。当1台APS发生故障时，闭合扩展供电接触器，由另1台APS为全列中压母线供电，部分负载需减载运行。

（2）交叉供电。列车中压母线分为两组，将负载平均分为两部分，2台APS分别为这两组母线供电。当1台APS发生故障时，对应供电区域的负载将无法工作。

2.2并联供电

列车中压母线贯穿全列，多台APS单元并联工作，自动均分整列负载［7］。并联供电的列车母线复杂性较低，可灵活配置APS单元数量，4个或6个较常见。

当某个APS发生故障时，停机退出并联，其余APS继续向母线供电。因此，并联供电能实现列车中压的不间断供电。列车通过负载管理，根据全部可用电源容量，按照优先级管理负载的投切。

2.3容量需求与轻量化

通过分析不同供电方式下整车对APS容量的需求，可发现并联供电方式有助于降低整车APS容量。以某地铁项目为例，APS必须同时满足以下需求：①满足实际负载以外，容量有15%的裕度；②1台APS故障对列车几乎没有影响。

整车中压交流负载总容量为327kVA，空调半载时整车负载容量为218kVA。集中供电方式按2台APS考虑，由于交叉供电无法满足上述需求②，一旦有APS发生故障，必然有一部分负载无法切换到另外一组母线，因此集中供电方式只讨论扩展供电。并联供电方式按4台APS考虑。

计算得两种供电方式下APS的总容量需求，如表3所示。为满足上述需求②，若采用并联供电方式，APS总容量的需求仅为436 kVA；若采用扩展供电方式，必须显著增大变流器的单体容量到327 kVA，此时整车APS总容量高达654 kVA，比并联供电方式时的整车APS总容量增大一半。

表3 两种供电方式下APS容量需求kVA

显然，采用并联供电方式时APS总容量需求较低。这将非常有助于降低全列车APS的总质量。而且并联供电方式的整车中压母线设计和配电更加简单，也有助于整车轻量化。

因此，并联供电技术降低了整车对APS总容量的需求,促进了整车的轻量化水平提升。该技术已在高铁和地铁车辆上成熟应用，成为主流趋势。从扩展供电、交叉供电向并联供电过渡，本质上是用控制技术的创新替代硬件设备的复杂性，从而节约资源。

3 工频技术与中频技术

APS通常采用变压器实现输入直流与输出交流之间的电气隔离。根据拓扑结构和隔离变压器工作频率不同，APS的技术路线可分为工频技术与中频技术两种。传统的工频技术拓扑结构简单，但体积、质量较可观。中频技术采用新的拓扑结构，可显著提高轻量化水平，是近10年来的热点技术。

3.1工频技术

工频技术的APS方案如图2所示。直流输入电压先三相逆变，然后通过工频变压器实现电气隔离和降压，滤波后得到正弦三相交流电。

图2 工频技术示意图

工频变压器通是APS的最大单体部件，通常能占整机质量的30%～40%。例如，时速380 km动车组CRH380B中160 kVA的APS，总重1.4 t，工频变压器重560 kg；西门子公司的73 kVA城轨APS，总重810 kg，其中变压器重286 kg。且功率等级越高，工频变压器的体积质量越大，给APS的机械强度设计、重心控制等造成困难。

3.2中频技术

提高工作频率以实现轻量化，是电力电子领域的常用思路。综合考虑城轨车辆APS的功率等级、电压等级、效率等因素，可将APS的工作频率提高到中频20 kHz附近。其基本原理如图3所示。直流输入电压首先由中频DC/DC变流器得到稳定的低压直流电，再进行三相逆变、滤波，得到正弦三相交流电。

图3 中频技术示意图

中频DC/DC变流器中的中频变压器取代工频变压器，实现变压和电气隔离。中频DC/DC变流器可采用谐振软开关技术，以进一步降低损耗，减少冷却单元的体积。中频DC/DC变流器的输出为稳定的600 V低压，因此逆变器可显著提高开关频率。在滤波效果相同的前提下，开关频率的提高可显著减小对正弦滤波器的需求。

3.3中频技术的轻量化效果

（1）变压器的轻量化。变压器的体积质量和工作频率负相关，因此中频变压器的功率密度显著高于工频变压器。以两款批量产品中的变压器为例（见表4），中频变压器功率密度提高约9.6倍。

表4 中频变压器与工频变压器功率密度对比

（2）机组的轻量化。中频技术使得变压器体积显著下降。即使考虑到系统复杂性增加，整个APS仍能实现30%～50%的减重效果。仍以上述两款批量产品为例，中频技术的APS功率密度提高了近1倍，如表5所示。

因此，中频技术可显著提高APS的轻量化水平。随着应用案例越来越多，中频技术作为一种有效的轻量化变流器拓扑结构，已成为一种发展趋势。

表5 中频技术与工频技术的APS功率密度对比

4 碳化硅器件的应用

以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体器件具有损耗低（开关损耗降低80%）、耐高温（耐温由150℃提高到250℃）、宜高频（更适用于100 kHz以上开关频率）的显著优势，将对电力电子变流器产生重大影响。APS也必然受益于此技术进步。

1990年，IGBT（绝缘栅双极晶体管）开始替代GTO（门极可关断晶闸管）和晶闸管（Thyristor）；10年后，IGBT的市场份额爆炸性增长，取代了GTO；SiC经历10余年发展，已从中小功率等级开始切分传统器件的市场份额。德国西门子公司统计并预测了功率半导体器件的市场份额，如图4所示。

图4 功率半导体器件市场份额

当前，量产的SiC功率模块已达1 700 V/300 A，其功率已达到城轨车辆APS的功率等级。SiC的应用可显著降低器件损耗，且满足容忍更高工作温度、显著降低冷却的需求。SiC器件可使得APS工作频率提高到几十kHz，将显著降低变压器、电抗器、电容器等被动元件的体积质量。据德国西门子公司2016年的研究报告，采用SiC器件的牵引系统将实现体积质量减少30%，整机效率提高至少3%。日本三菱的SiC城轨变流器体积质量比其既有产品减少65%，变流器损耗下降30%。可以预见，SiC器件的应用将显著提高城轨车辆APS轻量化水平。

5 结语

本文综述了城轨车辆APS的轻量化发展趋势，并从供电模式、变流器拓扑结构、新器件应用等方面进行分析展望：

（1）并联供电技术降低整车对APS总容量的需求，从源头上促进了轻量化。

（2）采用中频化的变流器拓扑结构，取消工频变压器，从拓扑结构上提高轻量化水平。

（3）SiC功率半导体器件的应用，降低了冷却装置和被动元件的体积质量。

轻量化水平的不断提升，将带来持久的节能效果。随着技术成熟度提升，各种轻量化技术将逐渐被市场接受。

［1］赵清良，刘清，曾明高．城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展［J］．机车电传动，2012（1）：52．

［2］杜求茂，陈中杰，彭驹．城轨车辆辅助供电系统的比较分析［J］．电力机车与城轨车辆，2011（4）：53．

［3］康亚庆．地铁车辆辅助系统两种供电网络的分析［J］．现代城市轨道交通，2009（4）：27．

［4］肖彦君，吴茂杉．城轨列车辅助供电系统的技术要求和电路选型［J］．现代城市轨道交通，2004（4）：24．

［5］陈恒谦．城轨车辆辅助逆变器设计选型与发展趋势［J］．电力机车与城轨车辆，2012（4）：55．

［6］刘伟志，马颖涛．城市轨道交通牵引系统技术发展前景［J］．铁路技术创新，2015（4）：29．

［7］姜雪松，马颖涛，王永翔．一种辅助变流器及其并联控制方法：ZL201210417991.4［P］.2012-10-24.

Develop Trend of Auxiliary Power Supp ly for Urban Rail Transit Train

MA Yingtao

Recent development of APS is described from perspectives of parallel operation mode,converter topology and devices of the next generation.Follow ing technical progress，light-weight design of APS becomes the main development direction for urban rail transit trains.In which，parallel operation mode w ill replace the extended power supply and the cross power supply to reduce the total capacity of the train, median frequency technology is adopted to replace the power frequency isolating transformer，thus theweight of APSw ill be significantly reduced.In the future，application of the next generation power devices such as Silicon Carbine（SiC）w ill replace the silicon-based IGBT，leading to smaller cooling components，inductors and capacitors.All the light-weight technologies represent the development trend of APS.

urban rail transit train；auxiliary power supply（APS）；light-weighting

U270.38+1

10.16037/j.1007-869x.2017.07.021

2017-01-21）