地铁车辆辅助供电系统浅析

摘 要：概述地铁车辆辅助系统，介绍地铁车辆静止辅助系统的基本结构、供电模式、基本方案及原理，结合目前国内外情况，指出辅助系统的发展趋势。

关键词：地铁车辆；辅助供电；静止逆变；蓄电池

1 概述

辅助系统是地铁或轻轨车辆上的一个必不可少的关键的电气部分，它主要功能是为空调、通风机、空压机、蓄电池、照明等低压辅助设备提供供电电源。输出的电源类型一般包括三相AC380V交流电（含单相220V）和直流DC110V、DC24V。

目前，静止辅助系统中采用的电力电子器件普遍采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT或IPM），IGBT器件属于电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高，性能好，损耗小，且自保护能力也强，使用效果好，如将驱动与保护功能电封装在模块内，便构成智能功率模块IPM。随着电子器件的飞速发展，IGBT或IPM器件的电压等级的提升，应用技术的成熟，完全可以满足城轨交通供电网压提升的需求。故辅助系统全控型开关器件控制已经进入了成熟的阶段。

2 车辆辅助供电模式

2.1交叉供电

两路AC380V供电线路贯穿整列车，分别与2个辅助逆变器相连接。将每节车厢的交流负载根据功率平均分为两组，分别由两个辅助逆变器供电。对于牵引和辅助逆变器的冷却风机等重要设备，两个辅助逆变器均为其供电， 以便在一个逆变器故障时起到冗余的作用。

2.2扩展供电

一路AC380V供电主干线贯穿整列车，2个辅助逆变器均连接到该线路上，但在其中的一个C车上安装有一个接触器，称为扩展接触器，将两个辅助逆变器分断， 以使其不会并网运行。当2个逆变器都工作正常时，则扩展接触器处于断开状态，每个逆变器为本单元3节车的所有交流负载供电。当其中一个逆变器故障时，扩展接触器闭合， 由状态良好的逆变器为整列车的交流负载供电，考虑到逆变器的容量限制，这时每节车的空调负载要减载[1]。

2.3方案对比

（1）从控制的角度来讲，交叉供电要比扩展供电容易。在交叉供电时，因为每节车的负载连接在供电线路不同的逆变器上，所以当一个辅助逆变器SIV故障时，不需要控制电路做任何复杂的判断和切换。而扩展供电模式控制相对比较复杂，需要在关键时间对扩展接触器进行控制。

（2）从布线的角度来讲，扩展供电要比交叉供电简单。交叉供电需要在整列车上布设两路三相四线制的列车线，共8根，而扩展供电只需要布设4根列车线，从数量上减少了一半，使得成本减少一半，线缆重量也减少了一半，尤其是对整列车的减重，扩展供电有明显优势。

（3）从满足舒适度角度来讲，扩展供电也有明显的优势。交叉供电模式在一个SIV故障时就只能有一半负载工作，而扩展供电可以最大限度的负载工作，客室里乘客乘坐的舒适度不会受到太大的影响。

3 辅助设备布局

3.1分散供电

即每节车辆均配备一台辅助供电装置。

如广州地铁一号线西门子设计车辆即采用分散供电，每节车均配备一台DC/AC，共六台，提供AC380V电源；在两端带有司机室的拖车各配备一台DC/DC，共两台，提供DC110V电源。

3.2集中供电

整列车只采用两套辅助供电装置集中供电，互为冗余。

西安地铁二号线车辆采用这种方式，整列车配备两套SIV静止逆变单元，布置在两端Tc车的车底，为整车提供辅助电源，设计时充分考虑了两套互为冗余，当一台发生故障时，余下的1套能承担6辆车的基本负载并保证列车的正常运行。

3.3方式对比

这两种供电方式各有优缺点：

分散供电冗余度大，均衡轴重好配置，但造价高，总重量也高，且由于分布点多，集成化程度差，易出现故障点较多，故障率高。

集中供电冗余度小，每轴配重难以一致，但总重量轻，组成部件集中，模块化程度高，故障率低，且成本低很多。

目前国内地铁新型车辆大都采用集中供电方式，只有部分线路的旧车上采用分散式供电。

4 辅助系统方案分类

4.1三相交流（AC380V）静止逆变

随着电力电子器件发展，静止辅助系统也经历着不同方案的发展过程，目前，新型车辆辅助系统大都采用IGBT来构成，方案包括[2]：

（1）斩波稳压再逆变，加变压器降压隔离；

（2）三点式逆变器加变压器降压隔离；

（3）电容分压两路逆变，加隔离变压器构成12脉冲方案；

（4）二点式逆变器加滤波器与变压器降压隔离；

（5）直――直变换与高频变压器隔离加逆变的方案。

4.2辅助直流电源转换

基于上述三相交流静止逆变的方案，辅助直流电源转换方式有：

（1）通过50HZ隔离降压变压器来实现；

（2）独立的直――直变换器直接接于供电网压通过高频变压器隔离后再整流并滤波得到DC110V控制电源。

这两种方案，前者依赖于静止辅助逆变器，一般是将辅助逆变器输出的AC380V转换成DC110V，其受逆变器故障的影响；后者与静止逆变器无关，不受逆变器故障的影响，但因为需要独立的直流电源，成本高。

4.3西安地铁二号线车辆辅助系统

4.3.1辅助系统原理

西安地铁二号线车辆静止辅助系统主要采用的二点式两路逆变，加隔离变压器构成12脉冲方案；经逆变隔离变压后输出的AC380V三相交流电，通过整流降压，转变为DC110V供列车控制系统及蓄电池充电使用。

DC24V电源是由降压整流输出的DC110V，通过直流斩波装置转换成的。当仅有蓄电池供电时，DC110V/DC24V电源变换器能保证列车DC24V回路用电装置的正常工作。

4.3.2 SIV的保护控制

SIV的保护内容包括过电压、欠电压、缺相、过载、接地、过热等。

静止逆变器SIV输入电压为额定电压DC1500V；150%额定输出时，装置维持运行10秒后关断；200%额定输出时，装置立即关断。

SIV本身产生的电磁辐射会受到抑制，不会影响司机室信号、有线及无线通信设备、牵引和制动控制系统等的正常工作，也不会影响各种线路设施的正常工作。同时能抵御外界的电磁干扰。

5 蓄电池

蓄电池仅仅是车辆的备用电源，主要在车载供电DC110V中断期间，或刹车时，或静态调试时使用。目前列车使用的蓄电池包括：碱性蓄电池和酸性蓄电池。

6 结论

通过上述的论述，可以了解多元化的地铁车辆辅助系统。各种方案的选择情况还是因需而异，各有利弊。目前，地铁车辆辅助系统国产化在国内正在进行，如株洲电力机车研究所为广州地铁一号线西门子车辆设计的DC/DC变换器使用效果很好，国产化的前景是开阔的，故应加强这方面实际应用的研究。

参考文献：

[1]康亚庆.地铁车辆辅助系统两种供电网络的分析.现代轨道交通，2009（4）.

[2]陶生桂，梁建英.城市地铁与轻轨车辆辅助系统综述.电力机车技术，2001（3）.

[3]陶生桂，王日凡.地铁一号线车辆IGBT静止辅助逆变器研制[J].城市轨道交通研究，2000（2）