城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展

张乃政

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

辅助电源系统是地铁车辆实现牵引控制操作的主要构成部分，其本身工作的安全稳定性和安全可靠性对于车辆的正常运载有着直观的影响。在车辆的设计规划前期，需要对系统结构的构建、操作技能、工作条件等进行综合的分析比较，选择适当的运载系统、硬件设备以及参数信息，以构成最佳辅助电源系统，适应车辆运行的基础要求，才能有效降低车辆运载周期的成本[1]。

1 辅助电源系统的构建原理研究

1.1 辅助电源系统的构建

车辆的基础辅助电源涵盖了辅助高压箱、隔离开关箱、使用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）功率器件的三相逆变器系统、隔离变压器、输出滤波器、整流器、直流变换和高频变压器隔离、蓄电池组以及系统控制电路等几个部分。

为保证地铁的正常运作，在原有操作电源控制管理的基础上，也会设定中央处理控制机制，以保证电源网络信息的稳定性。地铁本身的运输量较大，基本上时时刻刻都在消耗电源，因此对于辅助电源系统的控制管理和日常的运维管理都需要进行精细化的管理与综合化的分析，为此就需要加快辅助电源系统的结构化统筹及综合化调配，形成联动控制管理网络，通过多元化的管控分析和技术控制，对该系统结构进行全方位、多角度的控制管理，形成辅助电源系统管控的综合结构。

城轨地铁车辆有多个部分，其中辅助电源系统主要承担的是额外电气装置的供电保障，以保证制动、牵引、风机等基础的辅助电机可以正常稳定的运作。若是地铁车辆的辅助系统长时间出现问题，除却机车牵引系统可以正常工作外，其他的装置都会停止运行，对城轨地铁车辆产生影响。机车辅助系统则是在直流电源和辅助电源系统的工作机制下进行工作的，每一台车辆上都会配置2 台基础的辅助逆变器，将接触网络进行逆变处理，并且提供3 项基础的交流电，以保证基础的设备常规化运行操作。2 台基础的辅助逆变器出现故障的情况下，若是其中一个可以扩大适用范围，则可以保证车辆的正常供电[2]。

1.2 辅助电源系统的特点

辅助电源电路在逆变电路、直流变电器电路的结构下所构建。系统本身就能实现电压型的逆变电路器工作。在具体工作的过程中，首先可以采用大功率的基础元件，在高频开关工作的设定下，实现驱动服务。其次在大功率逆变器模块与变换器模块的构建下，模块化的设计并不会影响电路的日常工作，同时结构较为紧凑，体积容量较小，维护便捷性较高。热管自然冷却方式的应用，操作运行过程中所出现的噪音较小，维修保养的工作量也相对较小，且逆变器本身的电路结构简单，元器件较少。因为蓄电池的恒压特点，若是输出过程中的性能较好，蓄电池过放电，就能自动实现电流放电保护。当其中一台逆变器发生故障的情况下，闭合扩展供电箱开关，系统也能实现稳定的运行服务，但操作中系统的负载承载力就会不足。车辆有这2 个基础的蓄电池箱，就可以保证和控制车辆的应急供电。同时，在车辆不能进行电压处理的情况下，此系统操作中，车辆内部的照明、装置等基础设备仍旧可以提供工作能量。城轨地铁车辆辅助电源系统是交流电系统的一项内容，可以产生列车运行的不同交流电压，保证城轨地铁车辆辅助系统的电气设备工作符合现行辅助电能系统的正常运作[3]。

辅助变流器有着多种分型方式，这里应用最多的就是输入侧差异，也就是在直-交型和交-直-交型的条件下进行工作。在此基础上，输出差异也较为明显，主要是变压变频与恒压恒频逆变器输出模式之间的不同。电平级数：两电和三电电平辅助。城轨地铁车辆辅助逆变器主要是一种基础的供电装置，也可以满足不同电压频率下的工作机制，单一车辆下的辅助逆变器的基础结构相对一致，但是控制方式方面仍旧有较为明显的差异性。电平辅助主要是更好地控制输出的电流形式，处理电压等级。三电平辅助的处理操作方式虽然较为优化，但是在实际工作中操作的烦琐性较强。在当前社会经济水平的全面发展下，结构和实际的控制相对较为简约，已经被广泛的开发和使用。

2 辅助电源系统需满足的基本要求和运行原理分析

2.1 基本要求

为保证辅助电源系统的工作效能，在具体运作时要具备以下几个方面的基础要求：一是要具备输入电压突变能力，在辅助电源的输入电压突然上升或是降低时，都需要实现合理化的运作，以此保证每一个控制管理阶段都有额定电压的支撑；二是具备输入电压瞬时中止的能力，当车辆跳弓产生输入电压短时间瞬时中止的情况下，辅助电源系统应当保持正常的工作状态；三是要有额定输出的能力，额定功率的输出主要指在辅助电源操作的前夕，要始终保证电源系统内部存储量的稳定；四是具有一定的过载能力，辅助电源应当最少承载1.5 倍的工作能力，并且可以在10 s 左右的时间内实现过载；五是负载量控制，负载突变往往是在结构工作的过程中，因为操作问题或是技术问题，受到外部环境的影响，导致电压本身出现跳动的变化，电压负载量激增。因此，其本身的输出电压值在瞬间应当达到+15%～-20%的变化，并在300 ms 内能达到稳定，若是负载持续出现变化，就能满足车辆运行条件。

2.2 辅助电源装置的基础运行原理

在现有的工作机制下，输出滤波电路需要降低到一定的形态，才能对变流器输入的电流进行分析。因为受到变流电压本身的限制影响，在实际的工作管理中，就需要设定专门的变流辅助控制装置对整个辅助电源的装置进行运行操作管理，变流器控制的方式也应当在此基础上进行工作。交流输出的电压承载力相对较大，在辅助电源工作的过程中首先要通过智能化的判断分析，观察当前额定电压的变化情况，分析各个未知的电源输出工作机制，进行适当的配置和合理化的动态输出，才会优化输出电压，保证后期各项设备工作的顺利推进[4,5]。

3 城轨地铁车辆辅助电源系统发展

3.1 结合辅助电源系统实现的蓄电池充电器应用创新

蓄电池充电器的工作是结合当前的服务特点，在输出电压以及电流通过的稳定状态停下，直接实现电路控制。这种电流反馈下的数据通过控制控制器，可以加快工作优化。通过电压指令要求和输出电压反馈的数据信息之间进行比较，可以有效减少电压误差的出现。将电压误差输入电压控制器中，电压控制器可以在转换器中进行调节，通过模拟转换器将信号传输到主控制器。主控制器在相似的相位环境下进行工作，实现转换器和电池线路之间的串联构建，为负载工作的开展奠定基础。蓄电池控制电路的方式方法是在现有的工作环境和硬件设施的支持下，通过合理化的配置工作模式和优化调节工作机制，对电压运转的输出情况进行分流，优化输出电压在电流转换的过程，实现电流的平衡效果。另外，电力控制管理可以在既定的电流控制装置的调节下运载执行。

3.2 基于创新模式构建的交流辅助电源系统

3.2.1 辅助系统的工作方式

交流辅助电源系统的工作主要是在现有工作环境下，通过分析不同设备的运载现状，优化电流输出模式，以此保证电流的正常工作。辅助变流器的主电路可以结合输入侧的不同分为交-直-交型、直-交型；结合输出的差异，可以划分为恒压恒频逆变器以及变压变频逆变器；结合主电路电平级数的差异，可以划分为2 点或3 点辅助变流器。在机车环境下，除提供恒压恒频辅助变流器之外，为节约耗能操作，可以有效降低通风声音，也可以结合设备在不同状态下所需要的功率，以此调节电压以及频率环境下的辅助变流器。多数情况下，同一类型的车辆上所提供的逆变器装置的硬件设施结构一致，但是控制方式有所差异[5]。

（1）交-直-交型辅助变流器。主要是在牵引变压器的辅助绕组供电，与牵引变流器一致，都是在网侧变流器、中间直流电路以及三相逆变器的支撑下构建而成。因为基础网本身的电压波动相对较大，为此交-直-交型辅助变流器的单位输出主要是依托交流电压的工作运转，在原有工作环境的基础上，通过调节配电网络的运转模式，以辅助变流的方式进行运作，其本身的工作方式较为简单、成本低，但是对电网环境的影响颇大。

（2）直-交型辅助变流器。其主要是通过直流电网直接牵引，实现中间电流的取电操作，逆变器的工作从直流到三相交流电之间的转换操作。直-交型辅助变流器已经逐渐使用在多种场合中。因为输入的电压相对较高，为保证整个输出电压工作模式的稳定性，在现有工作的基础上，需要不断调节直流交流电源的工作方式，通过交流转换的方式将变流器的工作压力削弱，同时增强电流运转的操作模式，加快电流传输转型，调节电流压力，之后再进行逆变操作。为了获得高质量的三相交流单元，多数都需要进行滤波链路优化。

直流电源系统实质上就是为列车照明或是应急供电系统服务的系统，电压等级多数在不同的动车组环境下实施，虽然有部分的电流省略，但是因为直流母线的电压相对较低，在同一环境下的功率放电的情况下，使用的线缆相对较粗，损耗相对较大，抗干扰能力较差。此外，直流电源系统涵盖了蓄电池以及蓄电池充电机，多数功率放电的情况下，蓄电池充电机会直接向直流负载供电，对蓄电池进行充电操作。当电网出现断电的情况下，直流负载在蓄电池的供电下进行工作。蓄电池充电机的输入多数是在辅助逆变器输出的环境下进行操作的。

3.2.2 直-交型和交-直-交型辅助变流器实现方案

（1）交-直-交型辅助变流器。这种变流器在运转操作的过程中，都是在辅助绕组的工作机制下提供专项的供电。这种模式下辅助电流器工作落实的过程中，因为接触网本身的电压波动承载力需求高，因此输入电流也会出现波动的情况。为了保证整个直流回路电流工作的高效性，就可以通过控制电路的方式，做好正流电路分析。整流电路可以分为相控和脉冲，其中前者的使用相对较早，优势较大，结构简约，操作便捷性较高，但是内测的功率条件不高；后者作为先进技术的典型代表已经逐渐替代了原有的相控整流器，可以保证最终的工作效能。

（2）直-交型辅助变流器。这种变流器操作机制和上述的交-直-交型的辅助变流器有着明显的差异性，可以从牵引变流器的中间直流回路中直接进行确定，或是从原有的城轨地铁车辆直流网段直接取电。这种变流器操作便捷，已经被广泛应用在多种城轨地铁车辆中。而直-交型辅助交流器设备的输入电流会直接导致电压增高。为了适应当前的操作需求，就需要在降压辅助设备的支持下转变输入电压。通过转变输入电流模式下的电压设备，可以更好地保证当前的电流工作效果，达到最佳的处理状态。实际的操作过程中为了优化升压后电流的质量，多数都会再次增加滤波，更好地保持电流的稳定性效果。在输入电流转化方式的过程中，滤波设置主要被安装在降压器设备前端，在逆变器工作之后，在输入到电流优化方式下，以此保证最佳的工作效能。

直流电源系统的工作主要是实现系统控制和列车照明的供电功能。部分型号的车组为了转化升级，就需要有专项的辅助车辆，以此减少电压转化，但是也会导致耗能增大，抗干扰能力较弱。

4 结 论

城轨地铁车辆是保障城市基础交通运作的主要条件。辅助电源系统的工作可以为列车提供基础的电能，推动辅助系统的正常稳定运作。若是辅助电源系统不能有效运作，就会导致辅助系统的失灵，为此辅助电源系统的安全管理研究就显得尤为必要。虽然在多数车辆中都会配置2 台基础的辅助逆变器，以此应对紧急状态，但是需要注重安全稳定的运行操作，工作人员只有了解到了辅助电源系统的基础工作原理，才能及时调节修复故障问题，以减少辅助逆变器工作失灵对于车辆运行产生的影响。