基于列车控制管理系统的辅助逆变器并网控制策略

2021-02-04荆振文郑殿科

城市轨道交通研究 2021年1期

荆振文郑殿科

（中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥第一作者，工程师）

辅助供电系统是地铁车辆中最重要系统之一，主要负责对车载设备的中压及低压供电。辅助供电系统包括辅助逆变器、充电机、DC 1 500 V 高压母线、AC 380 V 中压母线、DC 110 V 低压母线等。其中辅助逆变器最为关键，其将DC 1 500 V 高压转换为车载所需要的各级电压，以保证车辆正常运行。并网供电的电源系统只是列车辅助供电系统的一种形式，其主要优点是通过与列车控制管理系统（TCMS）使辅助逆变器的使用率达到最大化，以节约能源。

在地铁中，通过TCMS 实现对全列车辅助逆变器启停的控制。如果控制方法设计不当，控制策略有误，则会出现部分正常的辅助逆变器不能成功启动，导致设备减载，从而影响车辆运行。因此，设计出一套辅助逆变器的启停策略至关重要。此控制策略可实现当单台辅助逆变器故障时，所有中压负载正常工作，使之对乘客及列车运行无影响；任意2 台辅助逆变器故障时，全车空调工作在半冷状态，其它中压负载正常工作，对乘客及列车运行也无较大影响。

1 辅助供电系统

列车设置有一条跨接整列车的DC 1 500 V 辅助供电高压列车线，可通过1 个受电弓对整车辅助系统电源供电。在Tc 车（带司机室的拖车）和M 车（动力车）各设1 台辅助逆变器。每台辅助逆变器有一组三相四线输出，全列车4 台辅助逆变器三相输出并联，构成一路AC 380 V 列车母线，通过并网供电的方式给全列车的交流负载提供AC 380 V/50 Hz 的电源。当任1 台辅助逆变器故障时，通过断开其输出接触器与列车中压母线隔离，不影响其它辅助逆变器的正常工作。

在每个Mp 车（带受电弓的动车）设置有一个DC 1 500 V 的车间电源插座，集成在牵引高压箱一侧。若不能采用受电弓提供高压DC 1 500 V 时，可通过库内的车间电源插头，将其插入车间电源插座，实现对全车辅助逆变器的供电。辅助供电系统原理如图1 所示。

2 TCMS 对辅助逆变器的控制结构

TCMS 的控制单元（VCU）与列车各子系统通过多功能车辆总线（MVB）相连。辅助控制单元（ACE）具有MVB 接口，能有效地与VCU 进行控制指令、状态信息和故障信息交换, 实现TCMS 对ACE 的并网启动控制。司机显示单元（DDU）同样具有MVB 接口，其接入TCMS 后能实时显示每一个辅助逆变器以及其他辅助设备的状态信息、故障信息。TCMS 对辅助逆变器的控制结构如图2 所示。

图1 列车辅助供电系统原理图

图2 TCMS 对辅助逆变器的控制结构

3 辅助逆变器分时序控制策略

3.1 辅助逆变器启动前提条件

TCMS 对辅助逆变器分时序控制之前需满足以下条件：列车唤醒，司机室激活，列车蓄电池打开且状态良好；TCMS 工作正常，且与ACE 通信正常；ACE 检测到DC 1 500 供电电压及DC 110 V 控制电压存在，同时三相输出继电器短时闭合，用于检测是否存在内部短路和外部短路。此时，TCMS 需控制列车各负载处于不启动状态。当以上条件均满足时，TCMS 方可进行辅助逆变器并网控制。

3.2 辅助逆变器控制信号

ACE 的控制信号有以下5 个：

1）DisableIdleAux：指定此辅助变流器为主设备，低电平有效，由TCMS 发送至ACE。

2）DisableStartAux：启动信号，低电平有效，由TCMS 发送至ACE。

3）LineVoltON：线电压存在，高电平有效，由TCMS 发送至ACE。

4）ACMBusActive：ACE 母线激活, 高电平有效，由ACE 发送至TCMS。

5）ACMActOnBus：ACE 在母线激活,高电平有效，由ACE 发送至TCMS。

3.3 分时序的辅助逆变器并网控制启动

当前所提条件满足时，TCMS 将开始整个并网控制过程。TCMS 内部设有一个28 s 的循环累加计数器（DIS_usTime_counter），每秒累计一次，从0 开始累加，累加值大于27 时累加值清零，再重新累加。此28 s 分成4 个时间片段，每个时间片段为7 s；每个时间片段，TCMS 指定1 台辅助变流器启动，具体启动时间片段如表1 所示：

表1 启动时序表

分时序并网控制过程分为以下三个步骤：

1）选择主设备、从设备。如果1 台ACE 与TCMS 通信正常，其母线激活变量都未激活（ACMBusActive 和ACMActOnBus 均为0），而且其他3个通信正常的ACE 都不是主设备（DisableIdleAux=1），根据累加计数器计数值和启动时序表，设定ACE 是否为主设备（DisableIdleAux=0），同时将其他3 个ACE 设置为从设备（DisableIdleAux=1）。DIS_usTime_counter 默认值为0，即默认从C1 车的ACE 开始选择是否作为主设备。TCMS 发出主设备设定指令后的7 s，收到相应辅助变流器反馈的母线激活变量未激活（ACMBusActive=0），则复位此变流器为从设备（DisableIdleAux=1），同时TCMS 根据上述条件选择下一台ACE 是否作主设备。如轮询完28 s 之后，车辆4 个ACE 作主设备时，车辆辅助逆变器未正常启动，则计数器复位为0，并将继续按ACE1—ACE6 的顺序开始重新轮询选定主设备，并在条件满足时发送辅助逆变器启动指令，如此循环，直至有辅助逆变器反馈母线激活信号，实现并网成功。首次轮询过程中，4 台辅助逆变器均未启动成功，则通过司机室DDU 报ACE 故障。辅助逆变器主、辅设备选定流程如图3 所示。

2）主设备启动。正常情况下，主设备ACE 与TCMS 通信正常，且此ACE 不存在内部和外部短路故障，TCMS 也未诊断出有短路故障，当计数器值满足表1 时，TCMS 激活主设备并网启动指令（DisableStartAux=0）。主设备接收到主设备并网启动指令后，会闭合其所对应的闭合母线接触器，在5 s 内完成ACE 启动。如TCMS 发出主设备启动指令后，检测短路信号激活或收到降弓指令，则TCMS 复位启动指令（DisableStartAux=1）。启动主设备后，母线上存在电压，车辆AC 380 V 的相位和频率由首先并网启动的主辅助逆变器决定。

3）从设备并网启动。按照时间顺序，TCMS 按车辆顺序间隔7 s 判断其他车ACE 是否具备启动条件。如条件满足，则按时间逐一发送从设备启动指令（DisableStartAux=0）至ACE3—ACE6，ACE3—ACE6 接收到TCMS 发送的指令后，检测母线情况后，即闭合各自母线接触器，单台ACE 启动时间大约3 s。整列车4 台ACE 的启动在25 s 内完成，满足整列车并网时间要求。从设备启动流程如图4 所示。

图3 选择辅助逆变器主、从设备流程图

3.4 紧急启动控制

在列车存在DC 1 500 V 的条件下，当检测到ACE 控制电压低于91 V 时，DC 1 500 V/DC 110 V紧急变换器自动将接触网上DC 1 500 V 电压变换为DC 110 V，为辅助逆变器内部的控制电路供电。当检测到ACE 发送的逆变器低压启动指令（Low－BatVoltStart=1）激活时，TCMS 发送启动信号至此ACE；ACE 收到此信号后启动。低压工况下，4 台ACE 单独控制启动。第1 台辅助逆变器成功启动后，其他3 台辅助逆变器启动时，自动与主辅助逆变器同步电压及频率，完成整车辅助逆变器启动。

辅助逆变器并网启动成功后，TCMS 控制各负载设备启动。TCMS 正常的情况下，当任意1 台辅助逆变器故障时，所有中压负载正常工作，因此对乘客及列车运行无影响；任意2 台辅助逆变器故障时，全车空调工作在半冷状态，其它中压负载正常工作，因此对乘客及列车运行无较大影响；任意3 台辅助逆变器故障时，所有客室空调只保留通风，对司机室空调无影响。