地铁车辆辅助逆变电源分析

　　刘锡尧袁威
　　摘要：地铁车辆自主辅助电源系统在我国经过多年的研究和考核应用，技术模式与技术标准与国际接轨，实现了工程化、产业化。自主辅助电源系统的研究需要适应地铁发展的需要，不断提高其性能及可靠性，为地铁用户提供更加高效、节能环保、高质的系统和产品。
　　关键词：地铁车辆；辅助电源；节能
　　辅助电源系统是车辆牵引控制系统的重要组成部分。SIV为车辆客室空调机组及通风装置、空压机、电加热器、交流照明等交流负载提供三相与单相交流电源；充电机为车载各系统控制电路、直流照明、电动车门及车载信号与通信设备提供直流电源并给蓄电池组充电。辅助电源系统工作的安全性、可靠性对车辆正常运营具有重要影响。在车辆设计的前期就需要对系统的构成、容量范围、功能与性能要求等进行计算、分析和对比，选择合适的系统及设备、合适的参数来构成最优的辅助供电系统，满足车辆运营要求、降低系统的全寿命周期成本。
　　1、直接逆变方式
　　直接逆变辅助电源电路结构原理是地铁车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式。开关元器件通常可采用大功率GTO，IGBT或IPM。辅助逆变电源采用直接从第三供电轨受流方式，逆变器按Vf等于常数的控制方式，输出三相脉宽调制电压向负载供电。这种电路的特点是电路结构简单、元器件使用数量少、控制方便，但缺点是逆变器电源输出电压容易受电网输入电压的波动影响，输入与输出不隔离，输出的电压品质因数差、谐波含量大、负载使用效率低。
　　2、斩波降压逆变方式
　　斩波降压加逆变方式的辅助电源电路结构主要由单管DCDC斩波器、二点式逆变器、三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。逆变器输出经过三相滤波后，输出稳定的正弦三相交流电压，作为驱动空调机、风机等三相交流负载电源，同时三相交流电压经变压器和整流后，可实现电源的多路直流输出。其特点如下。三相逆变器输出电压不受输入电网电压波动的影响，DCDC斩波的闭环控制可以保持逆变器输入电压的恒定。每台辅助逆变电源斩波器只需一只大功率高压IGBT元件，逆变器可以采用较低电压的IGPT元件。由于逆变器输入电压恒定，对于只要求，控制的逆变器来说，只需要一定数量的梯波输出，即可保证逆变器输出稳定的脉宽调制电压，谐波含量小于5。斩波器分散布置在每台车的电源上，机组结构统一。对于供电网，虽然每台电源斩波的开关频率相同，但它们之间的斩波相位差是随机的，同样可实现斩波器多相多重斩波作用。隔离变压器的使用实现了电网输入与输出负载之间的电气隔离。（图一）
　　3、两重斩波降压逆变方式
　　与单管直接DCDC斩波降压逆变方式的辅助电源电路基本相同，两重斩波器替代了DCDC单管斩波器，开关元器件可采用GTO或IGBT。其特点是采用两重斩波器，当上、下两个斩波器控制相位互相错开180时，可以使斩波器的开关频率相应提高一倍，因而可大大减小滤波装置的体积和重量，降低逆变器中间直流环节电压的脉动量，提高辅助逆变电源的抗干扰能力。两重斩波器闭环控制起到了稳压和变压作用，因此可提高逆变器的输出效率。两重DCDC斩波器与单管斩波器相比，开关元器件和斩波器的附件多了一倍，但管子的耐压可降低一半，提高了元件的使用裕度和设备的安全可靠性。直流供电网与负载之间的变压器隔离以及相应设计的滤波器，可以保证逆变器输出的三相交流电压谐波最小，且可降低对负载过充电压的影响，提高负载的使用寿命。
　　4、升降压斩波逆变方式
　　升降压斩波加逆变的地铁辅助电源的前级斩波是由一个平波电抗器及两个开关管、二极管和储能电抗器构成，升降压斩波器本质上相当于两相DCDC直流变换器，控制系统采用PWM控制方式。两个开关管交替通断，按输出电压适当地控制脉冲宽度，可以获得与输入电压相反的恒定直流输出电压。后级逆变输出由两点式三相逆变器和三相滤波器组成。斩波器和逆变器开关元器件可采用GTO或IGBT，IPM等。此电路的特点是：电网电压的波动不影响斩波器输出电压的恒定稳定，当电网电压高于斩波器输出电压时，斩波器按降压斩波控制方式工作；当电网电压低于斩波器输出电压时，斩波器按升压斩波控制方式工作。两个开关管的交替导通和关断，提高了斩波开关频率，降低了储能电抗器体积和容量以及开关器件的电压应力，减小了输出电压的脉动量。
　　综上所述，采用静止辅助逆变电源代替传统的直流发电机组供电装置，已是地铁与轻轨城市轨道交通发展的必然趋势。静止辅助逆变电源方案的选择，应结合国内电力电子技术的发展、元器件的使用水平以及国外地铁电动车组辅助逆变电源的发展方向，研制和开发出适合我国城市轨道交通地铁和轻轨车辆的辅助逆变供电系统。地铁静止辅助逆变电源的研制成功标志着我们已具备了开发和生产国产化地铁辅助电源的能力。
　　参考文献：
　　〔1〕李红，自然采样逆变电源的谐波分析及抑制策略〔J〕，电网技术，2011
　　〔2〕左鹏升压变换器非线性输出反馈控制〔J〕，中国铁道科学，2013