城轨车辆辅助供电方式比较分析与应用

城轨车辆辅助供电方式比较分析与应用

摘要：针对目前国内轨道交通领域城轨车辆采用的不同中压供电形式：扩展供电形式、交叉网络供电形式以及并联网络供电形式，通过介绍、分析和比较不同供电方式的特点，确定合理的供电设计方案，提高列车辅助供电系统的可靠性，确保降级工况时列车性能不受影响。

关键词：城轨车辆；辅助供电；扩展供电；交叉供电；并网供电

引言

目前，在国内外轨道交通行业，辅助供电方式主要有三种，分别为扩展供电、交叉供电和并网供电。辅助供电主要是由辅助逆变器输出交流380V为列车负载提供交流电源。

在国内外的轨道交通行业，早期地铁列车一直采用扩展供电方式和中压交叉网络供电形式（以下简称交叉供电），直到近年来开始采用中压并联网络供电形式（以下简称并网供电）。采用扩展供电方式的地铁线路主要有天津1号线，采用交叉供电方式的比较典型的是深圳2号线，采用并网供电方式的主要有广佛线。在长编组多辅助变流器的车辆上采用并网供电，当一个辅助变流器故障时基本不用减载，因此并网供电将成为未来的趋势。文章将重点介绍这三种中压供电形式技术特点，并进行相关的性能比较和分析。

1 辅助供电系统

1.1 辅助供电系统组成

列车辅助供电系统主要负责对列车所有中低压辅助设

备的供电，是列车最重要的系统之一，其稳定与否将直接影响列车牵引控制系统、空压机、空调等车上重要设备的正常工作。辅助供电系统包括：辅助逆变器、充电机、蓄电池、高压母线（DCl500V）、中压母线（三相AC380V 50Hz）、低压母线（DC110V）、其他必须的辅助设备（继电器、接触器、空气开关、控制器）等。

1.2 扩展供电

扩展供电方式一般在每半列车设置一个辅助变流器，每个辅助变流器为相近的半列车提供交流电源，一旦一个辅助逆变器故障，另一个辅助逆变器将为整列车提供交流电源，同时减载。扩展供电属于早期车辆采用的供电方式，技术相对成熟。由于扩展供电技术相对简单，是国外牵引供应商进入国内市场首推的技术，随着技术的革新，扩展供电方式已很少被国外的牵引供应商所采用。但是随着发改委对牵引系统国产化率要求的越来越严格，国内牵引供应商已打破国外大企业对城轨牵引系统的垄断，以株洲时代为代表的国内牵引供应商大举进军国内城轨牵引系统市场，由于扩展供电技术相对简单且运用成熟，成为辅助供电方式的首选。目前株洲中标的大连2号线、宁波2号线均采用株洲时代提供的扩

展供电方式。

1.3 交叉供电

交叉供电方式一般为每半列车设置一个辅助变流器，每个辅助变流器为整列车的一半负载供电，一旦一个辅助逆变器故障，此辅助逆变器所带的负载将全部丧失电源，仅另一个辅助逆变器所带的负载能够正常运行。交叉供电和扩展供电一样，为早期辅助供电方式。交叉供电方式基本与扩展供电一样，区别就是扩展供电中每个辅助逆变器给半列车的所有负载供电，而交叉供电方式是每个辅助逆变器给整列车一半的负载供电。

1.4 并网供电

并网供电则是将列车上多个辅助变流器同时挂在交流母线上，所有交流用电设备从交流母线上取电。

并网供电为城轨车辆的新兴技术，目前其优势明显，为以西门子、阿尔斯通为代表的国外牵引供应商首推城轨车辆辅助供电解决方案。

2 辅助供电方案分析与比较

以一个6编组4动2拖B型地铁为例，车上负载分布如表1。

2.1 扩展供电方案

采用扩展供电方式，需要选择2个220KV A的辅助逆变器，分别设在Tc车上，如图所示1。

扩展供电方式在两个辅助逆变器之前设置一个交流接触器，一旦一个逆变器故障，交流接触器将会吸合，另外一个辅助逆变器将通过整个交流母线为整列车供电，同时列车负载降级运行。一个辅助逆变器容量220KV A，在夏季时为整列车提供交流电源已无法满足，需要减掉一半的空调。

一半空调负载经计算为154.65KV A

365.88-154.65=211.23（KV A）

因此此时减掉一半空调可以满足列车交流供电需求，但是已经影响到了乘客的舒适度。

图1 扩展供电原理图

2.2 交叉供电方案

采用交叉供电方式，需要选择2个的辅助逆变器，分别设在Tc车上，如图2所示。

交叉供电每个辅助逆变器带半列车的负载，一旦一个辅助逆变器故障而无法输出，将有半列车的交流负载无法得到电源，此时一半的空调、空压机、交流插座等交流设备将无法工作。受影响度超过扩展供电。

图2 交叉供电原理图

交叉供电的控制：

KM01：列车线转换（单元分解）KM02：他单元供电（单元联挂）

KM01和KM02控制时需要互锁

2.3 并网供电方案

采用并网供电方式，可选用6个73KV A的辅助逆变器分布在六辆车上，如图3所示。

并网供电有一条贯穿全列的中压母线，即列车上所有的辅助逆变器并联在中压母线上同时向全列车的中压负载供电。辅助逆变器内部有输出接触器，几台辅助逆变器顺序启动，第一台为随机启动，第二台开始，需要通过辅助逆变器输出端的传感器检测母线上三相电的幅值和频率，一旦一致将开始闭合输出接触器，该辅助逆变器接入到母线上。正常情况下，所有辅助逆变器处于并联供电模式；一旦一个辅助逆变器故障，该辅助逆变器输出接触器将断开，辅助逆变器停止输出，整车辅助逆变器容量将降为73*5=365KV A，空调不用减载，可满足整列车辅助供电要求。

3 结束语

综上所述，采用扩展供电和交叉供电方式，辅助逆变器数量少，冗余性差，一旦一个辅助逆变器故障，在夏季列车空调将降级运行，而交叉供电减载更加严重。而采用并网供电方式，一旦一个辅助逆变器故障，基本不用减载运行，有其巨大的优势，属于城轨车辆比较先进的技术，是未来发展的趋势。但是由于技术被国外大公司垄断，在一段时期内还是会出现三种供电方式并存的现状。

参考文献

[1]龚文斌，张卫东.Alstom地铁列车中压辅助供电形式的性能比较及优化[J].仪表技术，2011.

[2]B型地铁辅助容量计算书[Z].

[3]宁波地铁2号线牵引系统投标文件[Z].

[4]广佛线电气原理图[Z].

[5]深圳二号线电气原理图[Z].

作者简介：唐朝辉，男，工学硕士学位，工程师，主要从事轨道车辆研发设计工作，曾参与设计多种车型的车辆设计工作，现从事中国北车唐车公司产品研发中心电气系统设计工作。