辅助电源系统在城市轨道车辆上的研制

工作研究
辅助电源系统在城市轨道车辆上的研制
庄 曦 关 超
（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130000）
摘 要：辅助电源系统为车辆空调、电热采暖、照明、列车广播及乘客信息显示、空气压缩机、各系统控制电路及列车监控系统、车载信号和通信设备等提供电源。

本辅助电源系统技术方案包括系统及部件的主要信息及其基本特性等，文作者就辅助电源系统的系统原理、功能和算法进行了简要分析。

关键词：辅助电源系统；集中式供电；辅助控制系统
1概况
辅助电源系统为车辆空调、电热采暖、照明、列车广播及乘客信息显示、空气压缩机、各系统控制电路及列车监控系统、车载信号和通信设备等提供电源。

2工作条件
使用温度范围：－25℃～＋45℃，相对湿度：≦ 95％，海拔高度：≦1200m
3辅助电源系统方案概述
辅助电源系统主要由辅助电源装置（含辅助逆变器、DC110V 直流电源和DC/DC应急启动装置）以及DC24V电源模块组成。

功率单元采用强迫风冷散热，散热功率大，因此IGBT开关频率可以大大提高，从而减小了交流输出谐波含量，使得电源质量得到提高，对车载中压设备起到更好的保护作用，IGBT驱动脉冲采用光纤传输，提升了产品的EMC抗干扰能力。

辅助电源系统在辅助高压母线上设置辅助母线熔断器，进行短路保护。

辅助电源装置为整车提供3相380V交流电源，设计容量单台220kV A，采用可并联方式，整列车AC380V中压负载通过贯通全列的AC380V母线贯通。

单台充电机装置提供容量30kW的DC110V电源。

应急电源用于充电机的自启动，单台设计容量为
400W。

DC24V电源为车辆低压供电，放置于司机室，头尾司机室各配置两台，单台容量600W，共4台。

4辅助控制系统（ACU）
4.1辅助控制器
辅助控制器采用DSP+FPGA硬件控制架构，这种硬件架构的设计是当前嵌入式控制系统设计的主流。

它拥有高速的运算能力和丰富的外围设备，并且接口功能可以通过软件灵活的配置和定义，整个硬件控制系统非常容易移植。

辅助控制器（ACU）主要特性如下：（1）C6000系列高性能DSP，主频456MHz。

处理能力高达3648MIPS（每秒百万个定点指令执行速度）和2746 MFLOPS（每秒百万个浮点指令执行速度）（2）SPARTAN6系列FPGA，101261逻辑单元，15822CLBs，4824K RAM，498个IO资源（3）1Gbits DDR2内存（4）1Gbits Nor Flash数据存储空间+128M bits程序存储空间（5）2路模拟量输出（4~20mA电流输出）（6）16路数字隔离输入（7）18路模拟输入（2路隔离1路电源检测，6路可配置为温度检测）（8）14路PWM输出（可配置光纤输出）（9）14路门驱动状态控制（PWM 数字输出时为7路）（10）8路继电器数字输出（NC+NO free of potential contacts）（11）5路MOSFET数字输出（驱动能力为10A）（12）实时时钟RTC，硬件看门狗电路（13）1个RS-232接口或RS485接口（14）2个CAN（ISO 11898）网络接口（15）1个MVB网络接口（16）2个以太网服务总线（17）1个PC104服务总线辅助电源系统软件设计采用MATLAB编写控制逻辑并自动生成控制代码，具有控制逻辑直观，修改方便，后期维护难度小等优点。

4.2 软件架构
系统软件架构，其中DSP负责可并联逆变器控制算法的实现、故障保护及其设备间的互联通信，包括列车MVB网络、以太网接口等；FPGA负责系统的信号采集、快速故障保护以及PWM脉冲生产。

DSP与FPGA之间的工作配合如下：DSP根据从FPGA得到的各个信号的采集量进行逻辑控制、逆变器控制算法实现，FPGA 将DSP的计算结果生成相应的脉冲信号驱动IGBT，当系统检测到有故障发生时，DSP根据逻辑迅速做出判断，FPGA做出封脉冲、重启、隔离等保护，该种软件架构保证了系统软件接口清晰，执行
逻辑规范，进一步提高了软件的可靠性。

4.3工作时序
4.3.1 辅助逆变器工作时序
系统自检：（1）控制电电压波动范围：DC77V~DC137.5V；（2）系统自检无故障发生；（3）MVB通信正常。

SystemReady：（1）系统自检通过，系统准备就绪。

逆变启动：（1）系统准备就绪，预充电接触器（KM2）闭合，开始为支撑电容（FC）充电；（2）U网压—UFC≤DC50V时，主接触器（KM1）闭合；（3）延时2s，预充电接触器（KM2）断开，预充电过程结束；（4）系统的逆变过程启动；（5）输出电压稳定后，控制AC380V交流输出接触器（KM4）闭合，为负载提供稳压源。

逆变停止：（1）断主电，主接触器（KM1）断开，斩波器工作，对支撑电容（FC）进行放电；（2）支撑电容FC放电后，即可关断控制电。

4.3.2 充电机工作时序
SystemReady（系统准备）：（1）控制电电压波动范围：DC77V~DC137.5V；（2）系统自检通过；（3）无故障发生。

CDJstart（充电机变换开始）：（1）系统准备就绪，充电机AC380V输入接触器（KM7）闭合，通过预充电电阻开始为充电机支撑电容（FC2）充电；（2）当UFC2≥DC405V，充电机主接触器（KM8）闭合，短路预充电电阻，预充电过程结束；（3）经全桥变换电路变换为高频矩形波电压、经高频变压器进行隔离、降压后，再经高频全波整流桥整流，电抗器和电容器滤波后得到稳定的DC110V电源。

CDJstop（充电机变换停止）：（1）充电机变换结束后，充电机AC380V输入接触器（KM7）和充电机主接触器（KM8）均断开，支撑电容通过直流环节的放电电阻进行放电。

4.4 控制算法
4.4.1 辅助变流器控制算法
辅助电源装置控制方案除了要满足输出电压的质量和容量基本要求外，要求有如下几点：（1）控制算法简化，系统复杂度低，产品可靠性高；（2）有很好保护功能，故障后对用电设备无不良影响；（3）具有低谐波含量，减小对公用电网的干扰。

除此之外还应根据动车应用环境的要求，需充分考虑产品售后维护。

根据以上要求，提出系统控制方案如下：辅助变流器采用dq0坐标系下的PQ下垂控制，采用传统的电流内环、电压外环及PQ功率控制环等多环结合的控制方式。

PQ下垂控制方式实际上是基于逆变器输出的下垂特性，即当并联系统中各逆变器输出电压的相位、幅值偏差较小时，并联系统的有功环流与输出电压的相位差有关，无功环流与输出电压的幅值差有关，因此，各模块以各自的有功功率P和无功功率Q为依据，调整各自输出电压的频率和幅值实现系统中各台逆变器的均流运行。

4.4.2 充电机控制算法
充电机的控制依据硬件结构进行设计，主要包括以下几个部分：（1）控制参数检测模块，包括数字I/O量及模拟量检测、运算；（2）故障保护及逻辑判断模块，负责充电机的启停控制逻辑以及故障保护；（3）移相控制运算模块，该模块作为充电机软件算法的核心部分，负责充电机输出电压以及蓄电池充电流的控制，最终输出PWM占空比输入到PWM脉冲生成模块。

（4）PWM脉冲生成模块，产生可以直接驱动斩波模块的光纤信号。

充电机在进行蓄电池充电过程中，采用如下两种模式进行控制：（1）在恒定电流下充电直至临界值（临界值由温度补偿曲线确定）；（2）临界值状态下进入恒定浮充电压模式。

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