吴新红

(中国铁路总公司安全监督管理局，100844//高级工程师)

0 引言

目前，我国高速铁路已取得了巨大的进步，但仍存在一些问题。截至2012年底，我国电气化铁路占全国铁路线路的53%；根据《铁路“十三五”发展规划》，预计到2020年，电气化铁路将占全国铁路线路的70%，非电气化铁路仍将长期占有很大比例。纯接触网供电的动车组严重依赖接触网，在非接触网的线路上不能行驶。另外，由于传统动车组供电形式的单一性，当接触网发生故障或由于接触器、变压器等元件故障时，会导致列车因无法受流而瘫痪，影响动车组运营的可靠性。随着我国高速铁路的快速发展，对未来的轨道交通技术也提出了越来越高的要求，为了满足安全、高效以及节能环保等的需求，车辆装备制造企业不断加快对新型轨道交通车辆的研制[2-3]。混合动力动车组是为了弥补目前铁路运输能力不足，满足市域中短距离运输需要而提出来的一种新型动车组[4]，对我国谱系化动车组技术具有重要的意义。经过“十二五”国家科技支撑计划重点项目“混合动力动车组关键技术研究及典型样车研制”，中车长春客车股份有限公司、北京交通大学等单位合作，已成功研发出我国首列具有完全自主知识产权的混合动力动车组[5]，按动力源的不同分为两种型号，分别为电电混合动力动车组(EEMU)和油电混合动力动车组(DEMU)[6]，目前均已完成了整车的型式试验，正在进行30万km运营考核。

本文主要介绍我国首列混合动力动车组的牵引及辅助变流器系统，分别从系统结构、系统控制功能，以及网络控制和故障诊断等方面进行论述。

1 系统概述

传统的动车组一般仅由接触网供电，在无接触网线路或接触网线路发生故障时，会导致列车不能运行。与传统动车组的供电方式不同，混合动力动车组采用了多动力源接入的方式，大大提高了列车的可靠性与适应性，在无接触网线路或接触网线路发生故障时,列车均能正常运行。

混合动力动车组EEMU和DEMU均是两动一拖的3节编组结构，整车有2台牵引变流器(TCU)和2台辅助变流器(ACU)。其中,辅助变流器为双辅结构，2台辅助变流器分别通过牵引变流器的直流母线获取直流电压。EEMU的每个牵引变流器上挂载了2个动力电池组，其电池组容量为240 Ah，输出额定电压为1 056 V；而DEMU则挂载了1个动力电池组和1个柴油动力包，其中,动力电池组容量为60 Ah，输出额定电压为1 056 V;柴油动力包额定功率为330 kW。以DEMU为例，其变流器系统结构示意图如图1所示，EEMU除了不挂载柴油动力包并且多了1组DC/DC变换器以及1组动力电池外，其他的与DEMU基本类似。

图1 DEMU变流器系统结构示意图

DEMU共有3个动力源，分别为接触网、动力电池和柴油动力包；对应的运行模式有4种，分别为接触网运行模式、纯电池运行模式、纯动力包运行模式和电池-动力包混合模式。而EEMU有2个动力源，分别为接触网和动力电池；运行模式则有2种，除了没有纯动力包模式和电池-动力包混合模式外，与DEMU基本类似。

混合动力动车组的牵引及辅助变流器，采用了模块化设计方法，实现了生产、安装、维修维护的最优化；同时，充分考虑系统的电磁兼容、布局布线等方面因素，实现了总体的模块化和优化设计。模块化设计使系统完全适用于混合动力动车组使用，目前已通过了变流器型式试验考核，并已成功装车应用。

2 牵引变流器系统

2.1 系统描述

牵引变流器主要可以分为四象限整流器、牵引逆变器以及双向DC/DC变换器。

DEMU的四象限整流器(见图2)由2个单相四象限整流器并联而成，在接触网模式下，DEMU和EEMU工作一样，由接触网输入AC 25 kV，经过车载变压器变换为AC 900 V后接入，其额定功率可达920 kW；在非接触网模式下，EEMU只有纯电池工作模式，此时四象限整流器不工作；DEMU在单动力包模式或电池-动力包模式时，柴油动力包的三相交流电通过四象限整流器3个H桥上IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的反并联二极管进行不控整流给直流母线供电。

图2 接触网和柴油动力包接入电路原理图

每台牵引变流器均有1个牵引逆变器，电机驱动形式为1拖4的形式，即1台牵引逆变器带4台电机，其中每台牵引电机的额定功率为160 kW。双向DC/DC变换器直接挂载在直流母线上，是动力电池与直流母线的接口装置。其中EEMU上挂载了2组动力电池组，对应也有2个双向DC/DC变换器，2个变换器并联运行；而DEMU则只挂载了1组动力电池，并且对应有1个双向DC/DC变换器。四象限整流器和双向DC/DC变流器均能提供直流母线电压供牵引逆变使用。

2.2 系统控制功能

2.2.1 整流器系统

在接触网模式下时，四象限整流器工作，并稳定直流母线电压，当列车处于牵引工况、动力电池处于充电状态时，四象限整流器为牵引电机和动力电池组供电；当列车处于制动工况时，牵引电机将制动能量回馈到直流侧，而四象限整流器则将能量回馈到电网。

具体来看，四象限整流器具有以下功能：

(1) 稳定中间直流电压功能：为后级牵引逆变器和DC/DC变换器供电，或为能量回馈通路。

(2) 过分相功能：通过CAN(控制器局域网络)通信，配合其他子系统，完成列车的牵引过分相功能。

(3) 不控整流功能：当柴油动力包工作时，通过四象限整流器的3个H桥IGBT上的反并联二极管进行不控整流，给直流母线供电。

(4) 保护功能：软硬件的直流过压保护、直流欠压保护、交流过压及欠压保护、软硬件交流过流保护、过温保护、变压器故障保护、预充电不良保护、IGBT故障保护、接地故障检测保护等。

2.2.2 牵引逆变器

牵引逆变器采用变压变频的VVVF(变压变频)控制方法，控制牵引电机发出给定的转矩，实现列车的牵引、惰性、制动、恒速、防滑防空转等功能。牵引逆变器接收来自司机室给定的转矩指令，根据车控逻辑，结合当前列车的速度、牵引系统的状态，计算出要发出的转矩，并控制牵引电机发出相应的转矩，实现列车的牵引传动。

具体来看，牵引逆变器具有电机变频调速、车控逻辑执行、数据处理、计算处理、保护等功能。

2.2.3 双向DC/DC变换器

双向DC/DC变换器根据列车运行工况的不同，既可以作为供电源又可以作为负载运行。接触网模式下，电池作为接触网的负载，在满足相应条件下经双向DC/DC变换器对动力电池组进行充电；非接触网模式下，电池和动力包作为供电电源稳定直流母线电压，为逆变器和辅助变流器供电，在列车再生制动时吸收制动能量；在过分相区时，双向DC/DC变换器和四象限整流器相互配合，为辅助变流器供电。

下面以DEMU为例，说明双向DC/DC变换器具有的系统控制功能，EEMU除了没有动力包模式外基本与DEMU类似：

1) 系统能量管理与控制功能

(1) 在接触网模式下，双向DC/DC变换器根据电池的状态，结合列车运行的工况，控制动力电池组合理充电。

(2) 在纯电池模式模式下，双向DC/DC变换器通过设定合理的门限，基于规则的逻辑门限管理策略，对动力电池组的充放电进行控制，保证系统稳定、高效运行。

(3) 在纯动力包模式下，双向DC/DC变换器被切除，不工作。

(4) 在电池-动力包混合供电模式下，根据动车组运行的负载特性、柴油动力包的油耗特性及下垂特性，基于规则的逻辑门限能量管理策略，实现对动力电池组的充放电控制，并且通过通信，实现对柴油发电机组的转速控制，实现对多异性动力源接入的能量管理控制，最终实现了动力源与负载之间的协调配合。

2) 过分相功能：在动力电池组不发生故障时，通过CAN通信与其他子系统配合，在过分相阶段给辅助变流器供电。

3) 保护功能：软硬件直流过压保护，电池过流、过温保护，IGBT保护等。

3 辅助变流器系统

混合动力动车组的辅助变流器采用的是双辅结构，即一个辅助变流器里面有2套独立完整的辅助变流系统。输入是从牵引变流器的直流母线获取直流电压，并且具有扩展供电功能。如图 1下半部分所示。辅助变流器主要由辅助逆变器和充电机组成，车上的AC 380 V和AC 220 V负载由辅助逆变器供电，充电机输入是辅助逆变器输出的380 V交流电。

辅助逆变器的拓扑结构如图3所示，辅助逆变器从牵引变流器直流母线受电，额定输入电压与牵引变流器直流母线额定电压相同，为DC 1 650 V；经过三相全桥逆变、工频隔离和输出滤波后进行输出，输出模式是三相四线制，得到的相电压为AC 220 V，线电压为AC 380 V，供车载中压设备使用。其中工频变压器的原边为三角形接法，副边为星型接法，这样可以阻止原边脉冲电压所含的3次谐波进入副边[7-8]。

图3 辅助逆变器电路原理图

在控制上采用了SVPWM(空间矢量脉宽调制)调制策略，并在传统同步旋转坐标系PI(比例积分调节器)控制的基础上对控制算法进行优化，充分考虑了非线性负载所带来的谐波问题，在传统PI控制器的基础上加入准谐振(R)控制构成准PIR闭环控制，有效保证了辅助逆变器的动态响应特性以及输出电压波形的质量，其控制策略如图4所示。

图4 辅助逆变器准PIR控制系统框图

充电机的拓扑结构如图5所示，前级是三相整流二极管，经过电容滤波给后级全桥DC/DC变换器供电，输出经防反向二极管D4后给车上110 V负载以及110 V蓄电池供电。在控制给蓄电池充电时，根据电池的电流-电压特性，采用分段充电方式，即“限流充电—恒压充电—浮充温度补偿”三段式充电模式，该模式能使蓄电池寿命最长，充电效率最优。当充电机发生故障时，由110 V蓄电池给车上的直流负载供电。

图5 充电机拓扑结构图

混合动力动车组的辅助变流系统，能为车上的AC 380 V负载、AC 220 V负载以及110 V负载提供稳定可靠的电源。具体来看，整个辅助变流系统具有完善的系统控制功能，包括系统自检测、辅逆扩展供电、蓄电池充放电控制、故障自恢复重启、保护等功能。

4 网络控制与故障诊断

在混合动力动车组上，牵引变流器以及辅助变流器均挂载在列车车底下，为方便获取变流器相关的运行状态、下发相关调试指令实现调试与故障诊断等功能，基于以太网通信和虚拟仪器技术，开发了具有良好人机交互的软硬件监控系统，包括底层的控制器和上层的监控界面，大大提高了列车调试以及维护的效率。

牵引变流器监控系统的结构如图6所示，辅助变流器的监控系统结构与此类似。

图6 牵引变流器监控系统结构图

底层是为混合动力动车组开发的高性能控制系统，牵引逆变器、四象限整流器、DC/DC变换器各由一块主控板负责进行控制。另外采用了单独一块控制板用作监控板，用于与司机室通过RS-485进行通信，同时也负责实现跟上位机的以太网通信；DC/DC主控板通过RS-485与车载动力电池组的BMS(电池管理系统)进行通信，获取当前车载动力电池组的状态信息。4个控制板两两之间通过CAN进行互连，实时进行状态数据的交互，同时通过监控板接收来自上位机的调试指令或往上位机上传系统的状态信息，从而实现便捷、高效的人机交互。

4.1 网络控制

为实现现场的便捷调试，配合底层控制系统，开发了相应的变流器上位机监控界面，实现对变流器的网络控制。功能包括系统相关的数字量、模拟量的上传和下发，相关状态的显示,故障查询、下载，虚拟示波器实时显示相关状态量的波形等，辅助变流器网络控制系统功能与牵引变流器类似。通过软硬件结合、底层控制系统与上位机的配合，为变流器提供了便捷的调试工具，同时基于虚拟仪器技术的状态量显示、波形观测和存储等功能，极大提高了现场调试的效率。

4.2 故障诊断

为对列车在调试或运行过程中出现的故障进行诊断，准确排查故障，及时恢复系统，设计了基于以太网通信和虚拟显示技术的故障诊断系统。以牵引变流器的故障诊断系统为例进行说明(见图7)，辅助变流器的故障诊断功能与此类似。

图7 牵引变流器的故障诊断体系结构

底层的控制板每个负责1个子系统的功能，检测电路、采集电路以及信号调理电路复用原来控制信号采集的回路。就故障诊断而言，牵引变流器的主控板及相应的电路设备分别作为各子系统的故障诊断子服务器，各子服务器负责各子系统检测的故障诊断功能，监控板服务器根据网络架构实时获取网络数据信息，从而对列车故障进行定位和诊断，输出诊断结果和维修建议从而进行故障处理[9]。采用此种分布式体系的故障诊断系统有效均衡了各个子系统服务器的任务负载，实现了各系统间的良好协调，很好地利用了系统的软硬件资源。

5 结语

本文介绍了我国首列混合动力动车组的牵引及辅助变流器系统，分别从变流器的系统结构、控制功能、网络控制及故障诊断等方面进行展开。与传统动车组的变流系统相比，设计了多动力源接入，并解决了相关的技术问题。目前所研制的牵引及辅助变流器已通过型式试验并已装车使用，目前正在进行30万km运营考核。实际运行状况稳定，证明了该设计的可行性与合理性。该设计为我国谱系化动车组技术提供了有力的技术支持，对自主化国产动车组研发与创新具有重要的意义。