动车组辅助供电系统分析

动车组辅助供电系统分析

宋清岭 孙朋飞 朱卫宾 靳帅

中车唐山机车车辆有限公司   河北省唐山市   06300

摘要 高速动车组辅助供电系统是重要的组成部分，不但为空调、厨房、电茶炉、卫生间等旅客舒适度相关负载供电，也为牵引电机冷却系统、牵引变流器冷却系统、牵引变压器冷却系统等供电，直流110V系统更是直接为中央控制单元、牵引控制单元等绝大部分控制单元供电。因此辅助供电系统的可靠性直接影响车组运用的可靠性。

引言

动车组辅助辅助供电系统主要由辅助变流器、充电机、蓄电池、单相逆变器、隔离变压器等组成。辅助变流器从牵引变流器中间直流环节获得直流电，转换成三相交流电为辅助系统供电。充电机将3AC 380V 50Hz电源转变为DC110V电源，用于直流负载供电及蓄电池充电。 单相逆变器能够将充电机的DC110V电压转换为AC220V/50Hz电源。

各电压等级设备及电路布置

1、3AC 380V 50Hz

辅助变流器的输入端与牵引变流器的中间直流回路相连。其用途是将来自牵引变流器中间直流回路的直流供电电源变为3AC380V/50Hz交流电压，向动车组的三相负载、蓄电池和充电机等供电。

动车组在前8辆车/后8辆车上各设1套辅助供电系统，每套辅助供电系统采用AC380V/50Hz母线并网供电方式，在正常情况下前8辆与后8辆间不贯通，当前8辆或后8辆出现故障时，可采用手动方式实现扩展供电。

动车组由两组相互对称的牵引单元组成（01车到04车为一组，05车到08车为一组）。每组牵引单元中含有两个动力单元，每一个动力单元包含一台牵引变流器、一台辅助变流器（含控制单元）和四台牵引电机。 根据辅助变流器具有不同的电气接口，将安装在1、8车的辅助变流器TKD523B命名为辅助变流器A，安装在3、6车的辅助变流器TKD524B命名为辅助变流器B。

四台辅助变流器采用并联方式向列车380V母线供电，通常并网控制方式分为有互联线和无互联线两种。有互联线并联特点是，各辅助变流器间需要建立多条互连线，用来传递电压信号、电流信号、控制信号等，从而实现各辅助变流器输出电压幅值和电压相位相同，同相位。缺点是各辅助变流器之间需要有多条互连线，动车组两个相邻辅助变流器距离为约50米和25米，电磁环境较差，控制线易受干扰，可靠性较差。标准动车组采用无互联线方式，各辅助变流器之间无需互联线连接，仅依靠3AC母线实现并联控制。4台辅助变流器依次接入母线，第二台辅助变流器通过监控3AC母线上电压相位、幅值、频率，此时该电压即为第一台接入母线的辅助变流器输出电压，第二台辅助变流器据此调整自身输出，一致后接入3AC母线，第三第四台辅助变流器依次按上述方式接入，完成4台辅助变流器并联输出。无互联线控制方式，各辅助变流器单独控制，不分主从，系统可靠性较高。

辅助变流器主要由以下几部分组成：输入部分、输入电流和输出电压测量、PWMI功率模块、控制器、输出变压器、输出接触器和熔断器、保护和监控设备、风扇、滤波器、接地故障检测等。

辅助变流器通过供电母线向整列动车组输出同相位3AC380V/50Hz 电源，整列车供电母线分为3 段，在正常情况下，供电母线贯穿整列车，当某段供电母线发生故障，从而将各部分隔离开。可以通过打开位于中间车辅助变流器箱中的接触器隔离故障区间的供电，确保每个区间的供电母线都能提供最大载荷。

每个辅助变流器输出为200kVA，全列车为800kVA。根据负载统计情况，冬季模式辅助系统最大功率需求约576kW，夏季模式最大功率需求约520kW。全列车共800kVA，由此可见当3AC380V 50Hz 辅助变流器供电系统中，当一个辅助变流器单元或牵引变流器四象限整流单元故障时，辅助系统可输出600kVA，车载交流供电网络由其余3台辅助变流器单元继续供电，系统不必减载。

当两台辅助变流器或牵引变流器故障时，只减与旅客舒适度相关的负载，如空调、部分采暖、部分电茶炉等，其余系统正常供电。此时供电管理系统通过检测电流，确保冗余可用的情况下最大限度的输出电能，当电流过载时，才减少空调系统一半的输出。

在过分相区的情况下可以通过牵引变流器中间电路将牵引电机发出的电转换成三相交流电继续供给辅助系统。动车组在无火回送速度满足80km/h 的情况下，也能够向辅助系统供电。当速度低于55km/h 时退出供电状态。

为了确保在高压设备接地或列车停止时，原来由3AC380V总线供电的设备继续工作，可以使用外接3AC 380V电源为3AC380V列车总线供电。动车组的外接电源插座与受电弓设连锁机构，动车组由外部电源插头供电时，受电弓不能升弓。动车组03和06车辅助变流器内部安装外部供电插座。 在辅助功率模块侧门2的位置，设计了输入插座-X20。

全列只允许一台使用外部电源。对整列动车组供电时，通过控制器将辅助变流器的连接通过一个箱体内置的相输入接触器Q34实现。

2、DC 110V

长编中国标准动车组为16辆编组，4辅助供电系统中共包含4台充电机和4组蓄电池箱，充电机的额定输出功率为2×30kW，充电机与蓄电池箱一一对应。充电机采用吊装方式，分别安装于1/8/9/16车。直流供电系统全列功率需求约115kW，半列约57.5kW；一个或二个充电机故障，半列车负载功率小于充电机可输出60kW，系统不必减载。

充电机作为车辆辅助供电系统的一部分，其主要功能是将辅助变流器输出的3AC380V交流电转换为DC110V直流电，为蓄电池充电和车辆照明等直流负载供电。

充电机在检测到输入三相电符合启动条件后，闭合预充电接触器，经预充电电阻对三相不可控整流桥之后的支撑电容进行预充电，当直流支撑电容电压达到设定电压值时闭合主接触器，后级的变换电路开始工作，中间直流电经过变换电路变为高频交流电，经高频变压器传递到变压器的副边，副边的交流电再经整流电路变为脉动的直流电，最后经输出侧的滤波电路滤波后，输出稳定的直流电压，为蓄电池充电和车辆DC110V直流负载供电。

充电机实时监测充电电流、输出电压等采用闭环控制，实现蓄电池的限流充电、均充电和浮充电及充电机的输出限流控制和恒压控制，实现对蓄电池及车辆负载的高性能供电功能。

充电机将3AC380V转换为幅值可调的直流电为电池充电和列车DC110V负载供电，除电压转换功能外充电机还具有通信、故障保护等功能，具体介绍如下：

1. 充电机可以进行恒压、限流、浮充电的充电模式转换；

2. 充电机具有输入过压、输入欠压、输出短路、功率元件故障、接触器故障、过热等故障自检及保护功能；

3. 充电机具有数据记录、转储、下载、软件分析等功能，以便存储分析充电机运行状态、故障、充电过程数据、充电状态切换等；

4. 充电机具有通信功能，可通过MVB实现与整车网络进的信息互换，可通过RS485实现与锂电池BMS的通信；

5. 充电机具有电池类型识别功能，可自动识别碱性蓄电池和锂电池类型，并按电池特性进行充电。碱性蓄电池条件下，充电机具有温度补偿功能，可根据蓄电池的温度对充电电压、充电限流值进行补偿；锂电池条件下，充电机响应锂电池BMS的充电请求；

充电机输出接触器具有断电延时30s功能，列车给出“蓄电池OFF”信号后，充电机输出接触器延时30s断开。

蓄电池系统由450只单体钛酸锂电池蓄电池构成的DC110V蓄电池组、蓄电池箱及电气组件等组成。箱体主框架采用低合金高强度结构钢焊接而成，电气组件主要由电气保护装置（熔断器，继电器）、温度测量装置（NTC热敏电阻）、绝缘子、汇流排、连接器及电缆接头等组成。

110V电池包，450节单体钛酸锂电池，每组电池10并45串/标称103.5V/200Ah，每个电池箱两组电池，共400Ah。

3、结论

中国标准动车组在380V供电和110V供电上充分考虑了系统的可靠性，选用了可靠性高的控制方案，以及硬件冗余、容量冗余的设计，极大的提高了可用性。

参考文献

[1]曹雪甫，辅助变流器并联及启动控制策略研究，[D]，北京，北京交通大学，2019

[2]中国铁路总公司. 关于印发《时速350 公里中国标准动车组暂行技术条件》的通知：铁总科技〔2014〕50 号［S］. 北京：中国铁路总公司，2014.