轨道列车辅助变流器供电方式分析

王树宾

(中车长春轨道客车股份有限公司, 130062, 长春//教授级高级工程师)

轨道列车辅助供电系统维持着列车许多重要功能的实现，也关系到乘客的乘坐舒适性，是列车运行不可缺少的部分。辅助供电系统将网侧直流电压逆变成三相380 V交流电，提供给列车。列车上除牵引电机以外的负载，包括风机空调、插座、照明、加热器等设备，都是由列车辅助供电系统来维持其正常工作的。随着变频空调等非线性负载的普及，对列车辅助供电系统的性能要求也越来越高，尤其对其可靠性、安全性的要求也逐渐提高。未来的辅助变流供电系统也会在原有基础上得到大幅度改善，逐渐往高频化、轻量化发展。因此，探索长寿命、高可靠性、高功率密度的辅助变流器，是未来发展的趋势[1]。

基于轨道列车辅助变流供电系统的基本原理和控制方法，分析辅助变流器的拓扑结构和供电方式，并对未来轨道列车辅助供电的发展提出展望。

1 辅助变流供电系统拓扑结构

目前，轨道列车辅助变流器的主流拓扑结构分为两种：工频隔离式辅助变流器和单向DC/DC变换型高频链逆变器。

1.1 工频隔离式辅助变流器

图1为典型的工频隔离式辅助变流器的拓扑结构：采用三相四线制，从网侧直流电取电，经过网侧滤波、三相全桥逆变、变压器隔离和变压，输出滤波得到三相380 V交流电，给列车上的负载供电。此拓扑结构中，网侧直流电只需1次变换，再经变压器的隔离和变压就可以得到想要的电压。其结构简单实用、可靠性高、易于实现，是目前常用的拓扑结构。但是，由于采用工频变压器，故体积庞大，较笨重，变流器整体的功率密度较低[2-4]。

图1 工频隔离式辅助变流器拓扑结构

1.2 单向DC/DC变换型高频链逆变器

图2是典型的单向DC/DC变换型高频链逆变器。网侧直流电输入，经网侧滤波后进入高频逆变器；高频逆变器将直流电压转换成高频交流电压，通过高频变压器进行隔离变压，经过整流桥得到需要的直流电压；再经直流滤波进入工频三相逆变器，输出滤波后得到预期的三相交流电。

该拓扑结构采用的高频变压器在体积和质量上大幅度减少，提高了功率密度；且直流滤波的引入使DC/DC变换和DC/AC变换相对独立，可以根据各自的需要独立进行控制。但是，其缺点也比较明显：由于需要经过三级变换，整体结构更加复杂，控制难度也有所加大；由于采用了不控整流，能量只能单向流动；虽取消了工频变压器，但引入了直流滤波环节，直流滤波电容和电感在系统中仍占有较大空间和质量，不利于模块的轻量化。

图2 单向DC/DC变换型高频逆变器拓扑结构

1.3 两种拓扑结构的比较

对比以上两种不同的拓扑结构可见：作为传统拓扑结构的工频隔离式辅助变流器在可靠性上具有优势，整体结构更加简单可靠，但工频变压器的体积和质量太大，不节能，也不符合轻量化的标准，需要改进[5]。

单向DC/DC高频逆变器，使用软开关技术，提高了功率器件的工作频率，使用高频变压器取代了工频变压器，变压器占系统的空间大大减小；高频化也使滤波电感和电容的体积减小，使整个系统的体积和质量减小，符合轨道列车轻量化的趋势，提高了逆变器的功率密度，且更加节能和环保[6]。

表1 两种拓扑结构的对比

2 辅助变流供电系统供电方式

辅助变流供电系统从供电方式上可分为集中供电和并网供电两种方式。

2.1 集中供电方式

采用集中供电模式的辅助变流供电系统如图3所示。每列车分为2个及2个以上的单元，每个单元由单独的辅助逆变器供电，单元彼此没有联系。在正常情况下，每台辅助逆变器单独输出AC 380 V电压给本单元的负载供电。一旦有辅助逆变器发生故障，首先系统检测出哪一台逆变器发生故障，通过断开接触器使发生故障的逆变器与系统隔离；然后通过拓展接触器将其他单元的辅助逆变器引入此单元，即一个辅助逆变器给2个单元的负载供电。但是，由于逆变器的容量不够，在保证列车正常运行以及最大化满足乘客舒适度的前提下，需要切除系统中不重要的负载，以确保辅助逆变器在额定容量范围内运行[7]。

注：SIV为辅助逆变器

图3 采用集中供电模式的辅助变流供电系统

2.2 并网供电方式

并网供电(见图4)即每列车有多台逆变器并网给负载供电。并网供电要求各台逆变器的输出电压幅值、频率和相位一致，否则会使逆变器之间存在环流，导致效率下降甚至整个系统解列崩溃。所以，并网运行对每台逆变器的同步和控制有更严格的要求。

图4 采用并网供电模式的辅助变流供电系统

2.3 两种供电方式的对比

对比两种供电方式，从表2可以看出：并网供电的性能整体上比集中供电优越，并网供电的单台容量更小，供电的冗余程度更好，在单台逆变器发生故障的情况下系统受到的影响最小。但是，并网供电也存在一些缺陷，例如：从列车控制角度出发控制算法更加复杂，对逆变器的同步和功率分配等要求较高；同时，多台逆变器并网整体上增加了辅助供电系统的质量，维修保养的费用也相应提高[8-9]。

表2 两种供电方式的对比

3 未来发展趋势

3.1 高效化

轨道列车辅助逆变器的功率密度一直是业内关注的重点，其中功率开关器件和隔离变压器的损耗是逆变器最大的损耗。因此，要想提高辅助变流器的功率密度，必须降低两者的损耗。其中：开关器件的损耗可以使用软开关技术得到优化；工频隔离器变压器的体积、质量大，损耗也大，可以通过高频化使用高频隔离变压器来降低变压器上的损耗。因此，通过高频化和软开关技术可以提高系统的整体功率密度，使整个系统高效化[10]。

3.2 模块化

目前，逆变器模块化程度不高，不同的辅助逆变器有着不同的电压、电流参数，可替换性较差。若能统一逆变器的接口标准，统一电气参数,如统一输入电压、电流和输出电压、电流的参数指标，则可以提高系统的可替换性，方便安装和维护。

3.3 轻量化

若采用高频变压器取代传统的工频隔离式变压器，则系统的整体体积和质量都会大幅度降低，从而实现轻量化。除此以外，采用新材料如碳化硅或者氮化镓的新型功率开关器件来取代传统的硅基开关器件也能相应提高系统的轻量化。这种新材料的开关器件，在同等功率下，散热性能比传统器件有所提升，能够节省散热模块的体积，从而提高系统的整体效率，实现系统的轻量化。

4 结论

通过对比分析传统工频隔离式辅助变流器和单向DC/DC变换型高频链逆变器的拓扑结构，认为单向DC/DC变换型高频链逆变器更适合轨道列车辅助变流器系统。通过对比分析集中供电和并网供电两种辅助变流供电方式，认为并网供电方式更加优越，更适合轨道列车辅助供电系统。未来轨道列车辅助变流供电系统一定会向着高效化、模块化和轻量化发展。