胡正伟，焦芳芳

（唐山轨道客车有限责任公司 产品技术研究中心，河北唐山063035）

地铁与轻轨

浅析广佛线地铁车辆辅助供电系统

胡正伟，焦芳芳

（唐山轨道客车有限责任公司 产品技术研究中心，河北唐山063035）

介绍了应用于广佛线的辅助供电系统，阐述了列车主电路、辅助供电系统的组成、辅助供电系统的输出电路及辅助供电系统的控制原理，并简要分析了辅助供电系统的性能。

地铁车辆；辅助供电系统；电池充电机；控制原理

珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段（以下简称广佛线），以佛山市魁奇路站为起点，广州市沥滘站为终点，线路全长32.16 km，均为地下线路。佛山市境内14.797 km，广州市境内17.363 km。全线采用直流1 500 V接触网供电方式，辅助供电系统由西门子公司提供，经运营测试，整个辅助供电系统成熟、安全可靠，充分满足广佛线列车的正常运营条件。本文针对广佛线辅助供电系统进行详细分析。

1 列车主电路

广佛线地铁车辆采用4节编组，2动2拖，车辆编组方式为：－Tc＋Mp＋Mp＋Tc－，其中：Tc车为带司机室的拖车，Mp车为带受电弓的动车；“－”为全自动车钩，“＋”为半永久牵引杆。整列车分为两个对称的牵引单元，本文以一个牵引单位为例，对列车主电路进行分析，其主电路如图1所示。

列车主电路由受电弓、避雷器、高压箱、牵引逆变器箱、辅助逆变器箱、制动电阻箱、牵引电机、车间电源箱等设备组成。

每个高压箱中均装有一把3位闸刀开关，该闸刀开关可以在受电弓位、接地位和车间电源供电位3个模式下进行切换。车间电源供电与受电弓供电之间设置联锁，以保证整列车任何时候只有一种供电方式。另外，只有两单元处于车间位，车间电源才能供电。输入电源电路各电气部件在闸刀开关不同工作模式下的状态如表1所示。

图1 列车主电路

当闸刀开关处于受电弓位时，列车通过受电弓将接触网中1 500 V直流电接入列车，再通过高压箱保护设备接入牵引逆变器箱和辅助逆变器箱。DC1500 V电压经由高速断路器输入牵引逆变器系统，将直流电逆变为三相变压变频交流电压提供给牵引电机，通过牵引电机的联轴器与动轴连接驱动整列车行进；DC 1 500 V电压经由熔断器F1和F2为辅助供电系统提供工作电源，以给车上交流负载和直流负载提供工作电源。当一架受电弓故障时，可以对该受电弓进行切除，通过另一个牵引单元的受电弓为整车进行受电，以保证列车的正常运行。

表1 各电气部件在不同模式下的状态

当闸刀开关处于接地位时，牵引逆变器系统和辅助供电系统均被切除，此种工作模式可以保证在安全状态下对列车进行电气维护。

当闸刀开关处于车间电源供电位时，闸刀开关将辅助供电系统与车间供电电源插座连接起来，使DC 1 500 V车间电源为辅助供电系统提供工作电压。牵引逆变器系统在此种工作模式下不得电。

在对3位闸刀开关进行模式转换时，不能直接切断高压电流。在转动接地/隔离开关之前，主电路必须被接触器断开。隔离开关配有人工操作的闭锁。在手动切换隔离开关至另一位置前，需要进行手动解锁。一旦该闭锁被手动操作，装在隔离开关上的微型辅助开关将闭合其触点。这个触点被连接到一个控制电路中，该控制电路能在操作接地/隔离开关前断开主电路。

2 辅助供电系统的组成

辅助供电系统由输入电路、PWMI（Pulse-Width Modulated Inverter：脉宽调制型逆变器）模块、输出电路、控制模块及电池充电机等组成。辅助供电系统的原理框图如图2所示，以下对辅助供电系统各子模块进行逐一分析。

2.1 输入电路

输入电路主要由输入熔断器、输入滤波器、主接触器及预充电电路等组成。输入熔断器是在后极电路过载或短路的情况下快速断开电源的一种安全装置，APS1的输入熔断器保护电流为160 A，APS2的输入熔断器保护电流为100 A。输入滤波器类型为EMC（Electromagnitic Compatibility：电磁兼容）滤波器，由4个滤波电容和一个环形滤波电感组成低通共模抑制电路，能够有效的滤除前极电路引入的共模高频干扰信号。主接触器和预充电电路为辅助供电系统提供稳定的工作电源。

图2 辅助供电系统框图

2.2 PWMI模块

输入电路提供的稳定DC 1 500 V电压接入PWMI模块，经三相逆变生成的脉宽调制3AC 380 V通过输出变压器转变为可用的正弦波送到输出电路。PWMI模块框图如图3所示。

PWMI模块包括一个受控三相电桥，该电桥将来自输入电路的DC 1 500 V电压变为三相脉冲调宽（PWM）的3AC 380 V输出电压。由于采用并联输出，脉宽调制逆变器以固定频率模式工作。受控三相电桥安装在一个散热器上，上面安装有IGBT（Insulated Gate Bipolar Trausistor：绝缘栅双极型晶体管）开关管、二极管、DC连接电容器和驱动板。主控制器产生的驱动信号接入驱动板，进而控制IGBT三相电桥产生脉宽调制3AC 380 V输出电压。DC电容前二极管用来防止IGBT关断瞬间输出变压器自感电动势反加到直流环节造成电源污染。

图3 PWMI模块框图

2.3 输出电路

输出电路主要由输出变压器、正弦滤波器、输出接触器和输出熔断器等组成。由输出变压器输出的3AC 380 V电压经过正弦滤波器后，通过输出接触器和输出熔断器由输出至380 V母线给三相交流负载供电。正弦滤波器安装在变频器的输出侧与电机之间，减小输出电流中的高次谐波成分，抑制变频器输出侧的浪涌电压，减小电机由高频谐波引起的附加转矩，减小电机噪声。在辅助逆变器正常工作时，当检测PWMI输出电压与380 V母线电压同相同频后，输出接触器闭合，使辅助逆变器输出与母线同步的3AC 380 V电压。输出熔断器对交流负载提供过压、过流保护。

2.4 控制模块

控制模块主要包括SIBCOS－M2500型主控制器、SIBCOS－M2000型模块控制器和二进制输入和输出的SIBCOS－M9000 CAN节点。控制模块负责全面系统控制与上级控制通信以及不同类型功率变流器的控制和调节，如果检测到任何故障情况，将关闭辅助逆变器，通过专用的硬件电路和软件程序在冗余等级上执行监控。控制模块包括负责与所有控制级别通信的MVB接口、用于诊断服务与外部PC建立连接的RS232接口。控制模块框图如图4所示。

图4 控制模块框图

SIBCOS－M2500控制器为主控制器和模块控制器的组合。该控制器配备16条IGBT控制信道、14条IGBT反馈输入以及8条数字输入和4条数字输出。SIBCOS－M2500控制器配有两个微处理器。其中一个执行辅助逆变器的所有控制和诊断功能，包括传感器信号评估、电压和电流控制、顺序控制和标准监控功能，该处理器也控制产生IGBT起始脉冲的可编程逻辑电路；第二个处理器用于特殊的独立检测功能，如干扰电流监控，也可用于冗余处理安全相关控制信号。

SIBCOS－M2000控制器集成在模块中，能控制电池充电机。该控制模块拥有11个IGBT门极驱动输出和10个IGBT反馈输入。通过逻辑单元阵列（LCA）将处理器内核和外围接口进行逻辑关联，借助LCA，可根据提及的应用程序由软件建立逆变器专用的逻辑电路，用于联锁、锁闭时间或最小加电次数等功能。

SIBCOS－M9000拥有8个二进制输出和12个二进制输入，所有的输入输出信息通过CAN总线在主控制器和M9000之间双向传输。

2.5 电池充电机

电池充电机将辅助供电系统输入电路得到的稳定的DC 1 500 V电压转为电气隔离的DC 110 V输出电压。在普通的工作模式下，电池充电机向蓄电池充电，同时向连接在输出端的负载供电。通过单独的控制通道，以持续工作频率向位于输入侧的IGBT双模块供电。电池充电机框图如图5所示。

要想保证电力生产企业安全运行没有问题，应该做好交接班和巡查工作。在实施之前，应该明确交接班和巡查相关规定，尤其是交接班制度的制定，一定要结合实际情况，制定值班人数和值班时间等，需要明确规定交接班制度的相关内容。加强对电力设备的维护，同时也要注意周边的环境，进行详细巡查。遇到特殊情况应该加大巡查的力度，相关人员应该做相应的激励。重视生产中的每个环节，对交接班和巡查制度进行完善，并严格要求工作人员，端正态度面对工作，这样才能够保证变电站的安全运行管理，使电力运行得到有效的控制，全面降低电力企业的安全事故。

带中频变压器的逆变器在二次侧产生电气隔离的交流电压。通过输出整流器，整流二次侧电气隔离的交流电压。输出侧的扼流圈和电容器使输出电压变得平滑。由集成在模块中的SIBCOS－M2000控制器进行充电机的数字、电子、开环和闭环控制。通过软件设置具体的应用参数（如充电电压）。通过CAN总线接口连接到较高的控制等级。

图5 电池充电机框图

3 辅助供电系统的输出电路

辅助供电系统主要功能是为地铁车辆交流负载和直流负载提供工作电源。

3.1 交流输出电路

列车辅助供电系统采用并联供电方式，即辅助逆变器通过输出三相输出接触器向AC 380 V交流列车母线供电，为交流负载提供工作电源。辅助供电系统交流负载分配如图6所示。

列车辅助供电系统的交流负载主要包括空气压缩机、客室空调（含压缩机、冷凝风机、通风机）、司机室的空调通风设备、设备通风机、电热玻璃和方便插座。当一个辅助逆变器发生故障时，通过该故障逆变器的输出三相接触器，出现故障的辅助逆变器将会与3AC 380 V母线隔离，其他辅助逆变器输出不受影响，列车可通过其他辅助逆变器进行供电，通过优化负载设计，能提供以下的额外供电冗余：能保证最少一台空气压缩机正常工作；每节车的两台空调机组应分别以50%的减载模式运行；司机室的空调通风设备正常工作；所有设备通风机正常工作；方便插座正常工作。

图6 辅助供电系统交流负载分配

3.2 直流输出电路

列车设有正常供电和永久供电两条DC 110 V母线，永久供电母线连接关键负载，与蓄电池的110 V输出并联，以便在列车辅助逆变器故障情况下，对关键负载进行紧急供电；正常供电母线连接非关键负载。列车的直流负载主要包括牵引控制、制动控制、列车网络系统，广播系统、空调系统、门系统、无线系统和信号系统等。按照负载类型将负载分为关键负载和非关键负载，其中关键负载包括紧急通风、紧急照明、牵引制动控制、火灾报警、信号系统、列车监控系统、列车广播系统、PIDS（Passenger Information Display System：乘客信息显示系统）系统和无线系统等，其余为非关键负载。辅助供电系统直流输出电路如图7所示。

图7 辅助供电系统直流输出电路图

列车所有直流负载均有供电冗余，当一个低压电源故障的情况下应由另外的低压电源供电，并能提供15%的额外冗余；在直流负载最大的情况下，从正母线到分系统输入端的最大压降为4 V，从负母线到分系统输入端的最大压降为3 V。

4 辅助供电系统的控制原理

4.1 辅助逆变器的控制

辅助供电系统输入电路得到的稳定直流电压提供辅助逆变器工作电源，经脉宽调制，输出变压变频三相交流电压。辅助逆变器的工作模式如下：

（1）如果辅助逆变器提供许可的输入电压，并通过VCU（Vehicle Control Unit：车辆控制单元）给出接通命令，则闭合预充电保护，开始内部滤波器电路的预充电。

（2）如果输入滤波器内没有错误，闭合主保护装置，开始测试3AC输出的输出滤波器。为此，PWMI在输出保护开路的情况下，按额定电压运行，并测试输出滤波器中有无发生故障，或是否发生内部短路或内部接地故障。

（3）如果能够完全实现试运行而无发生故障，则再次断开PWMI，以便与3AC列车母线同步。

（4）如果列车母线上无电压，则先闭合输出保护，接通PWMI，系统开始接通额定电压。

（5）如果在输出保护开路的条件下测试PWMI输出滤波器完毕之后3AC列车的母线上已有电压存在，则启动PWMI，使其电压和相位与列车母线电压同步。一旦电压、相位达到同步，电压等同，输出保护就闭合。从此时起，PWMI模块就接收列车母线的全部输出。

将辅助逆变器的3AC输出调制到使3AC列车母线的总功率均匀分配给所有被连接的辅助逆变器上。这种调制方式是在辅助逆变器内实施的，这样就不需要外部负载管理。VCU的负载管理须按照馈入的脉冲控制逆变器而与列车母线的最大负载相符。

一旦因用电器发生故障致使列车母线短路，所有逆变器均会将它们可能的最大输出电流馈入该短路10 s，结果将触发用电器前的电机保护开关。于是，自动恢复列车母线上的额定电压。

4.2 电池充电机紧急启动控制

辅助逆变器配备紧急启动功能，如果蓄电池电量低，紧急启动单元将帮助启动辅助逆变器。按下紧急启动按钮，设备在无任何附加电源电压的情况下通过接触网获电并开始运行。原理上，逆变器单元是一个直流到直流的变流器，通过输入电压产生DC 110 V的电压，并在设备内部实现绝缘。按下按钮后，紧急启动将产生110 V直流电。此时可以运行主控单元M2500和蓄电池充电器，蓄电池开始充电。

如图7所示，蓄电池箱内装有欠压保护继电器和蓄电池输出接触器。蓄电池欠压继电器的常开触点连接至SKS1，如果蓄电池一旦欠压，则该欠压继电器得电，常开触点闭合，TCMS（Train Control and Monitoring System：列车控制与监视系统）记录此信息，并显示到HMI上，以提醒司机。另外如果蓄电池欠压，则输出接触器将打开，TCMS将通过SKS2监视蓄电池输出接触器的状态，并在HMI上显示蓄电池输出接触器的状态。

蓄电池的紧急启动功能操作原理如下：

（1）首先检查蓄电池箱，然后在蓄电池控制箱内合蓄电池断路器Q1。

（2）合列车两端司机室断路器KA1，激活列车线带电。旋转列车激活自复位开关到合位置，激活继电器得电，列车延时断电继电器得电，常开触点KT1闭合。如果此时蓄电池电压大于84 V，那么蓄电池欠压继电器K1线圈将得电，其常开触点闭合，使蓄电池输出接触器线圈K2得电，列车DC 110 V永久供电母线得电。这时合司机室激活断路器，操作司机室钥匙到合位置，司机室激活列车线得电，蓄电池正常供电接触器线圈K3得电，列车DC 110 V正常供电母线得电。如列车蓄电池电压低于77 V，SKS常开触点SKS1将失电，蓄电池欠压信息将在HMI显示。然后合APS供电断路器Q2和Q3。

（3）若蓄电池欠压，首先确认DC 750 V高压是否有电，如果DC 750 V高压有电，可按下充电机紧急启动按钮E，则充电机的欠压启动由辅助逆变器内部来实现。

只有当车辆蓄电池处在欠电压时，才能执行紧急启动。紧急启动包括激活受电弓和接通辅助逆变器。在这期间，辅助逆变器向电磁阀、主接触器和辅助逆变器内部电子设备供电。一旦触发了紧急启动，辅助逆变器需要1 min才能转回正常状态，继续正常的启动程序并向蓄电池充电。另外，司机室中设置的信号灯可以向司机指示紧急启动的状态。

5 辅助供电系统的系统性能分析

广佛线地铁车辆辅助供电系统采用集中布置的并联供电形式，与传统的集中供电系统和分散并联供电系统相比，广佛线地铁车辆辅助供电系统具有施工装配和布线简便和集成性高的优点。同时，在系统工作时，当系统中的一台或者两台辅助逆变器故障时无需切除负载，具有故障冗余能力强的特点。另外，由于该系统在正常工作时每个单元的供电是独立的，因此负载波动只影响本单元而不会对另一单元有影响，且系统的抗负载电流冲击能力强，具有故障率低的优点。集中布置的并联供电形式在广佛线地铁车辆上的成功应用，为城市轨道交通公司在选择地铁车辆辅助供电系统时提供了有益的参考。

［1］ 赵建葵，张凯.出口斯里兰卡动车组辅助供电系统的设计开发［J］.铁道车辆，2001，39（7）：17-18，44.

［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，2011，34（4）：53-54，86.

［3］ 唐青松.香港地铁车辆辅助变流器控制单元［J］.机车电传动，2003，（6）：31-35.

Brief Discussion on Auxiliary Power Supply System of Guangzhou-Foshan Line Metro Vehicles

HU Zhengwei，JIAO Fangfang
（Product＆Tech.Research Center，Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd，Tangshan 063035 Hebei，China）

The auxiliary power supply system of Guangzhou-Foshan Line metro vehicles is presented.The train main circuit，as well as composition，output circuit，and control theory of the auxiliary power supply system are expounded.And the performance of the auxiliary power supply system is briefly analyzed.

metro vehicle；auxiliary power supply system；battery charger；control theory

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.15

1008－7842（2014）04－0066－05

7—）男，助理工程师（

2014－01－02）