1、上海中低速磁浮列車輔助電源系統李云，趙清良(株洲南車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412007摘 要：上海中低速磁浮列車輔助電源系統由高壓隔離開關柜、DC330 V懸浮電源、三相輔助逆變器、DC110V控制電源、緊急逆變器、330V蓄電池系統、110V蓄電池組、低壓配電柜、DC330V配電柜組成。系統采用了短路、過壓、欠壓、 過流、過熱等保護，當設備保護動作后，通過網絡發送故障代碼，供列車事件記錄器記錄及司機室顯示裝置顯示 。關鍵詞：輔助電源系統；磁浮列車；故障保護中圖分類號：U264.3+7文獻標識碼：A文章編號：1672-1187(2008 06-0015-04Auxiliary po

2、wer supply systemof mid - to- low speed maglewehiclesin ShanghaiLI Yun，ZHAO Qing li ang(Zhuzhou CSR Times Electric Co.,Ltd,，Zhuzhou 412007，ChinaAbstract : Auxiliary power supply system of Mid-to- low speed maglev vehicles in Shanghai consists of high voltage isolator caoinet, DC 330 V power supply f

3、or magnetic levitation, three phase auxiliary inverter, DC 110 V power supply for control system, emergency inverter, 330 V battery system, 110 V battery cabinet, low voltagedistribution cabinet, DC 330 V distribution cabinet. The system has many built- in protective features,such as ovarvoltage pro

4、tection, undervoltage protection, overload protection, short circuit protection, ovar temperature protection etc. When one equipment of the system malfunctions, it will send the fault message to train controller, which are recorded by train event recorder and displayed on cab screen.Key words : auxi

5、liary power supply system； magevvehicle； protection strategy-15-0引言上海中低速磁浮列車是由上海電氣（集團）總公司、上海磁浮交通工程中心、中國南車集團株洲南車時代電 氣股份有限公司等單位聯合研制。目前為三輛車編組，具有完全自主知識產權 。與現在使用的軌道交通列車相比， 低速磁浮列車具有平穩舒適、能耗小、無污染、轉彎半徑小、爬坡能力強等特點； 與高速磁浮車相比， 它具有低噪 音、建設及運營成本低的優點，適用于城市內部、近距離城市間和旅游景區的交通運輸，今后將會與輕軌、地鐵等構成更為合理的城市軌道交通體系。由于中低速磁浮列車是一種高科

6、技含量的高度集成 的列車，搭載了許多現代設備，所需電源的制式和電壓等 級不盡相同，且應注意避免不同重要性的設備之間的相 互干擾。另外磁浮列車因車底結構和運行環境的影響，對搭載設備的體積、重量和噪聲很敏感 。因此其輔助電源系 統不僅要求提供的電源種類多種多樣，而且其組成設備都具有體積小、重量輕、噪音低等特點。1輔助電源系統構成上海低速磁浮列車車輛采用DC 1 500 V供電制式，其輔助電源系統為車上所有交流和直流輔助電氣設備， 包括車輛的懸浮系統 、空調/采暖、空壓機組、列車照明、 各系統控制電路、電動車門以及車載信號與通信設備、蓄電池等所需的電源，并提供相應的配電及保護。輔助電源系統主要包括的

7、設備有高壓隔離開關箱、DC 330 V懸浮電源、三相輔助逆變器、DC110V控制電源、緊急逆變器、 330 V電池系統、110V蓄電池組、低壓配電柜、DC 330V 配電柜。上海低速磁浮列車 3節車為一個編組單元，其輔助 電源系統框圖如圖 1所示。編組單元內各車輛的輔助電 源系統設備配置完全一致。車輛上輔助電源系統的負載 可分為三類：一類是交流負載，包括空壓機組、列車照明，DC110V收稿日期：2008-06-06作者簡介：李云,工程師，1998年畢業于北方交通大學電氣技術專業，工學學士，目前主要從事中小功率變流器的研究李云 等上海中低速磁浮列車輔助電源系統-2008年第6期-19-©

8、;China Academic Joiirnal f electronic Publish泌,Elcuse. All righis reserved. hHpJAvwn ciiki珂高圧隔離卄關料DC 330 懸浮電源 t|M60kW)三粕輔助越變器祖-VVVF佩機 卜備用電源 1(2U'At. DC-DC- AC逆變器 tSD kVAli： I 網丫三相倆朋逆甕器輔主 DC-DC-Rc逆變器飛F鳳刑 無用電源(2kVA)DC 15曲 3DO DC 1500 ¥DC 330 V懸浮電源柜160 LW)IJC 330 VHDC 330 V配電柜300 V幫電池樞1#OC 330

9、 V配電柜M 330 VIK； 330 2DC 33C V -*配電柜 -J，|nc v|ntlTSV控制11爲急逆變器 電源柜的kW 丄屮DC1I0 V»v±弋HO V + g：氣勢0 V十 訓¥己電柜J I0 V君電池醤急逆變益2#D<: 330 V配陀柜|DC33G y| ' BtTiU 控制 電灘柜16 kW)I)C IIOV運行時，110 V 直流負載的平 均功率約3 kW， 為了保障故障 運行和提咼列 車運行可靠性， 因此單個DC 110 V控制電源 柜的輸出功率 確定為6 kW。在輔助電源系 統中，蓄電池系 統是非常重要 的一個子系統，

10、 它能為整個系 統提供最后的 安全保障，避免 設備損毀和人 身安全事故。因 此，蓄電池的容圖1上海中低速磁浮列車輔助電源系統框圖控制電源等三相和單相交流負載，由輔助逆變器供電。由于磁浮車底空間尺寸的限制和對重量的嚴格要求，列車 編組交流電源采用分散供電的形式，每輛車的輔助逆變 器只給本車的交流負載供電，而不向其它車輛擴展供電。根據車輛的負載情況計算，單個輔助逆變器柜的容量確 定為50 kVA。第二類是330 V直流負載。正常工作時此類負載只有 車輛懸浮系統，在輔助逆變器故障時 還有2 kVA的VVVF風機備用電源作為負載，由DC 330 V懸浮電源柜供電。由于懸浮電源對于磁浮列車來說必不可少，

11、必需考慮工程應用時故障的情況，當編組內一臺 DC 330 V懸浮電源故障時，剩余兩臺懸浮電源能繼續為車輛懸浮提供 電源，因此將 DC 330 V懸浮電源在編組內組成干線網。根據計算和試驗情況，一輛車在超載情況下的平均懸浮 功率為30 kW左右，綜合考慮起浮和降落時的功率需求 以及體積重量的限制， 單個DC 330 V懸浮電源柜的輸岀 功率確定為60 kW。當一節車的懸浮電源發生故障時，通過懸浮電源干線網，剩余兩臺懸浮電源仍能繼續為車輛 懸浮提供電源，維持故障運行。另外，考慮到只要車輛懸 浮系統能正常工作，列車編組就應能自主牽引回庫，因此,牽引逆變器的散熱風機的備用電源從懸浮電網取電。第三類是1

12、10 V直流負載，主要包括各系統控制電 路、電動車門、應急照明及通風以及車載信號與通信設備 等，由DC 110 V控制電源柜供電。同樣考慮到 DC 110 V 控制電源的必不可少， 在列車編組內組成了干線網 。正常量選取是以保證列車在最高時速120 km時緊急制動后安全降落，并且乘客安全撤離車輛所需的能量為原則。經過估算和留取一定的安全裕量，330 V蓄電池的容量為27 Ah, 110 V蓄電池的容量為 16 Ah。2主要電氣設備2.1高壓隔離開關箱高壓隔離開關箱為SIV(三相輔助逆變器)與懸浮電源的高壓輸入端的隔離與保護電路。2.2 DC 330 V懸浮電源箱DC 330 V懸浮電源箱將 D

13、C 1 500 V輸入電壓變換為 DC 330 V電壓，主要為列車懸浮控制器、DC 110 V控制電源、VVVF風機及電抗器風機備用電源提供電源，同時為330 V蓄電池組充電。采用高頻DC/DC變換，具有動態 響應快，耐電流沖擊能力大等特點 。由于磁浮車的懸浮系統本身是一個臨界亞穩態系 統，容易產生失衡而震蕩，從而引起對懸浮電源的沖擊。因此，在研制過程中，著力提高 DC 330 V懸浮電源的耐 電流沖擊能力，短時過載能力達額定輸出的23倍，盡可能地為車輛懸浮控制器提供短時過載的能量，使之迅速 恢復平衡狀態；提高系統的動態響應速度和控制穩定裕 量，避免與懸浮電網共振， 提供系統的可靠性。另外，由

14、于組成了干線網， 如何使連接在干線網上的 各個懸浮電源柜之間均流是實現工程應用的一個關鍵問 題。如果處理不好，在懸浮負載快速變化的影響下，各懸浮電源柜之間的輸出容易引起振蕩，從而引起電網振蕩，最終導致整個懸浮系統崩潰。在本研究中，懸浮電源的均 流采取輸岀特性自動均流加網絡控制的方式實現，效果 非常好，各電源柜的輸出電流差異控制在幾個安培以內， 響應時間為 500 ms左右。2.3三相輔助逆變器箱三相輔助逆變器箱內含一路主DC- DC- AC逆變器及一路備用 VVVF風機電源。為了解決低速磁浮車對設備 要求低噪聲、小型輕量的問題，輔助逆變器采用前端 DC/DC高頻變換加兩電平逆變器的模式，不僅避

15、免了傳 統的工頻變壓器和電抗器的電磁噪聲，同時大大減小了 體積和重量。風道也采取了必要的措施來吸音降噪。2.3.1 主 DC- DC-AC 逆變器主DC-DC-AC 逆變器將 DC 1 500 V電源逆變為三 相交流3X 380 V/50 Hz電源供車載交流設備，如空調機、空壓機、VVVF通風機、電加熱器、單相AC 220 V方便插 座負載及交流照明負載等用電。2.3.2 VVVF風機備用電源VVVF風機備用電源將DC 330 V電源逆變為三相交流3X 380 V/50 Hz電源，在主 DC- DC- AC逆變器發生故 障時，VVVF通風機、電抗器風機將被自動切換到備用 DC/AC逆變器進行供

16、電。2.4 DC 110 V控制電源DC 110 V控制電源 將DC 330 V輸入電壓變換 為 DC 110 V電壓，給列車的直流照明、車燈、通訊和控制系 統、緊急逆變器等所有 DC 110 V用電設備供電。2.5緊急逆變器當因為某種原因，車輛無法為空調機組提供正常的 工作電源時，緊急通風模式啟動 。緊急逆變器將車載 110 V蓄電池提供的直流電壓轉換成3相交流電壓供給空調機組的通風機，使車輛空調機組按緊急通風運行，保證車廂內仍有一定的通風量，以保證旅客生命安全 。2.6蓄電池箱蓄電池組為鎳-氫結構，當列車上的電源裝置停止 工作或發生故障時，為車上的緊急負載提供電源。110 V蓄電池緊急負載

17、包括全部應急照明、全部通信設備(乘客報站信息和列車無線通信)、重要功能的總線通信網絡、緊急通風。330 V蓄電池緊急負載包括全部懸浮控制器。摒棄了傳統的鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池，采用新型環保、比容量更大的鎳氫蓄電池。由于鎳氫蓄電池溫度特性和 耐充電能力等因素，蓄電池的充電策略和管理也成為關 系磁浮列車可靠運行的關鍵問題。2.6.1 330 V蓄電池330 V蓄電池系統在磁浮列車運行過程中發生抖動 時提供DC 330 V懸浮電源供電不足的部分，或吸收懸浮 電磁鐵反饋的能量 。且短時放電能力需滿足當 車載 DC330 V懸浮電源故障時，列車緊急制動和降落的要求 。2.6.2 110 V蓄電池當車載D

18、C 110 V控制電源發生故障時，110 V蓄電 池應為車輛上應急設備如應急照明、應急通風等提供電源，時間至少15 min。2.7 DC 330 V配電柜車上的DC 330 V配電柜分為1#柜和2#柜，主要實 現列車DC 330 V電網干線連接，完成 DC 330 V懸浮電 源和330 V蓄電池的連接，以及為車輛的懸浮控制器、DC110 V控制電源、VVV F風機備用電源提供配電保護。2.8低壓配電柜低壓配電柜為列車上的低壓用電設備配電和提供過 載、接地等保護及 DC 110 V列車干線貫通連接。3主要設備技術參數3.1DC330 V懸浮電源標稱輸入電壓/V(DC)1 500輸入電壓范圍/V(

19、DC)1 000 2 000輸岀電壓/V(DC) 輸338 士 3.38岀紋波因數/%額定容<5量/kW60均流所有DC/DC模塊能自動均流，不弓I起DC 330 V電網振蕩 應急啟動蓄電池過放或故障時能起動變換器外形尺寸/mm質量/kg 冷卻方式效率/%1 380 X 805 X 550（長 X 寬 X 高400SV型式DC- DC-ACIGBT 逆變器過載150%過載，系統10 s后關斷;200%過載，系統立即關斷外形尺寸/mm1 760 X 850 X 550（長 X 寬 X 高）噪聲(相距1 m處)/dB (A)<70強迫風冷噪聲(相距1 m處)/dB (A) 防護等級三相

20、輔助逆<70IP5432變器箱標稱輸入電壓/V（DC）1 500輸入電壓范圍(額定負載)/V(DC1 000 2 000380 士 19三相輸岀電壓/V(AC)輸出頻率/Hz50 士 1輸岀容量/kVA50輸出波形正弦波輸出電壓總諧波含量/%<10> 92總效率(額定條件下)/%>90冷卻方式防護等級33DC110 V控制電源柜'標稱輸入電壓/V （DC） 輸入電壓范圍/V （DC 輸岀電壓/V（DC 輸 岀紋波因數/%額定 輸岀功率/kW強迫風冷IP54330 210360 110± 2.2<56均流所有DC/DC模塊能自動均流，不引起DC11

21、0V電網振蕩應急啟動蓄電池過放或故障時能起動變換器外形尺寸/mm750 X 450 X 300（長X寬X高）質量/kg冷卻80方式強迫風冷效率/%>90噪聲（相距1 m處）/dB（A<704運行模式4.1 正常起動1）閉合蓄電池。按下司機臺110 V蓄電池閉合按鈕，發岀110 V蓄電池閉合信號（此信號為110 V脈沖信號），低壓配電柜內 KM1閉合，110 V蓄電池接入系統，整 個系統的控制得電。按下司機臺330 V蓄電池閉合按鈕， 發岀330 V蓄電池閉合信號（此信號也為110 V脈沖信號），1#DC 330 V配電柜內 KM3閉合，330 V蓄電池接入 系統。2啟動。閉合司機臺

22、上的啟動按鈕，向各設備發岀啟動信號（此信號為 110 V電平信號）。DC 1 500 V/DC 330 V 變換器、DC 330 V/DC 110 V變換器、三相輔助逆變器檢 測到啟動信號后，進行自檢，系統正常后開始工作。4.2停機1）斷開司機臺上的啟動按鈕，向設備發岀停機信號，系統各設備停止工作。2按下司機臺上的蓄電池斷開按鈕，發岀蓄電池斷開信號，相應接觸器斷開，蓄電池從系統中斷開 。4.3故障運行1）空調控制器檢測到正常的三相交流輸入沒有后， 給緊急逆變器發出啟動信號，緊急逆變器自檢正常后開 始工作，為車箱內提供應急通風 。2三相輔助逆變器故障后，VVV F風機備用電源工作自動啟動。3）復

23、位，當系統內有設備上報故障時，如果該故障允許復位，可按下司機臺復位按鈕復位，故障設備復位重 啟，而系統內正常工作設備繼續工作。4其它設備故障運行模式可參見系統故障保護策略。5系統故障保護策略5.1DC110 V控制電源具有短路、過壓、欠壓、過流、過熱等保護。當設備保護動作后，通過網絡發送故障代碼，供事件記錄器記錄及司機室顯示裝置顯示。當編組內有一臺 DC 330 V/DC 110 V 變換器發生不可復位恢復的故障時，列車可維持運行，當有兩臺DC 330 V/DC 110 V變換器發生上述故障時，要求列車速度降級，限速運行，回庫檢修。5.2 DC 330 V懸浮電源具有短路、過壓、欠壓、過流、過熱等保護