上海中低速磁浮列车辅助电源系统

1、上海中低速磁浮列车辅助电源系统李云，赵清良(株洲南车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412007摘 要：上海中低速磁浮列车辅助电源系统由高压隔离开关柜、DC330 V悬浮电源、三相辅助逆变器、DC110V控制电源、紧急逆变器、330V蓄电池系统、110V蓄电池组、低压配电柜、DC330V配电柜组成。系统采用了短路、过压、欠压、 过流、过热等保护，当设备保护动作后，通过网络发送故障代码，供列车事件记录器记录及司机室显示装置显示 。关键词：辅助电源系统；磁浮列车；故障保护中图分类号：U264.3+7文献标识码：A文章编号：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车是由上海电气（集团）总公司、上海磁浮交通工程中心、中国南车集团株洲南车时代电 气股份有限公司等单位联合研制。目前为三辆车编组，具有完全自主知识产权 。与现在使用的轨道交通列车相比， 低速磁浮列车具有平稳舒适、能耗小、无污染、转弯半径小、爬坡能力强等特点； 与高速磁浮车相比， 它具有低噪 音、建设及运营成本低的优点，适用于城市内部、近距离城市间和旅游景区的交通运输，今后将会与轻轨、地铁等构成更为合理的城市轨道交通体系。由于中低速磁浮列车是一种高科

6、技含量的高度集成 的列车，搭载了许多现代设备，所需电源的制式和电压等 级不尽相同，且应注意避免不同重要性的设备之间的相 互干扰。另外磁浮列车因车底结构和运行环境的影响，对搭载设备的体积、重量和噪声很敏感 。因此其辅助电源系 统不仅要求提供的电源种类多种多样，而且其组成设备都具有体积小、重量轻、噪音低等特点。1辅助电源系统构成上海低速磁浮列车车辆采用DC 1 500 V供电制式，其辅助电源系统为车上所有交流和直流辅助电气设备， 包括车辆的悬浮系统 、空调/采暖、空压机组、列车照明、 各系统控制电路、电动车门以及车载信号与通信设备、蓄电池等所需的电源，并提供相应的配电及保护。辅助电源系统主要包括的

7、设备有高压隔离开关箱、DC 330 V悬浮电源、三相辅助逆变器、DC110V控制电源、紧急逆变器、 330 V电池系统、110V蓄电池组、低压配电柜、DC 330V 配电柜。上海低速磁浮列车 3节车为一个编组单元，其辅助 电源系统框图如图 1所示。编组单元内各车辆的辅助电 源系统设备配置完全一致。车辆上辅助电源系统的负载 可分为三类：一类是交流负载，包括空压机组、列车照明，DC110V收稿日期：2008-06-06作者简介：李云,工程师，1998年毕业于北方交通大学电气技术专业，工学学士，目前主要从事中小功率变流器的研究李云 等上海中低速磁浮列车辅助电源系统-2008年第6期-19-©

8、;China Academic Joiirnal f electronic Publish泌,Elcuse. All righis reserved. hHpJAvwn ciiki珂高圧隔离卄关料DC 330 悬浮电源 t|M60kW)三粕辅助越变器祖-VVVF佩机 卜备用电源 1(2U'At. DC-DC- AC逆变器 tSD kVAli： I 网丫三相倆朋逆甕器輔主 DC-DC-Rc逆变器飞F凤刑 無用电源(2kVA)DC 15曲 3DO DC 1500 ¥DC 330 V悬浮电源柜160 LW)IJC 330 VHDC 330 V配电柜300 V幫电池枢1#OC 330

9、 V配电柜M 330 VIK； 330 2DC 33C V -*配电柜 -J，|nc v|ntlTSV控制11爲急逆变器 电源柜的kW 丄屮DC1I0 V»v±弋HO V + g：气勢0 V十 训¥己电柜J I0 V君电池醤急逆变益2#D<: 330 V配陀柜|DC33G y| ' BtTiU 控制 电滩柜16 kW)I)C IIOV运行时，110 V 直流负载的平 均功率约3 kW， 为了保障故障 运行和提咼列 车运行可靠性， 因此单个DC 110 V控制电源 柜的输出功率 确定为6 kW。在辅助电源系 统中，蓄电池系 统是非常重要 的一个子系统，

10、 它能为整个系 统提供最后的 安全保障，避免 设备损毁和人 身安全事故。因 此，蓄电池的容图1上海中低速磁浮列车辅助电源系统框图控制电源等三相和单相交流负载，由辅助逆变器供电。由于磁浮车底空间尺寸的限制和对重量的严格要求，列车 编组交流电源采用分散供电的形式，每辆车的辅助逆变 器只给本车的交流负载供电，而不向其它车辆扩展供电。根据车辆的负载情况计算，单个辅助逆变器柜的容量确 定为50 kVA。第二类是330 V直流负载。正常工作时此类负载只有 车辆悬浮系统，在辅助逆变器故障时 还有2 kVA的VVVF风机备用电源作为负载，由DC 330 V悬浮电源柜供电。由于悬浮电源对于磁浮列车来说必不可少，

11、必需考虑工程应用时故障的情况，当编组内一台 DC 330 V悬浮电源故障时，剩余两台悬浮电源能继续为车辆悬浮提供 电源，因此将 DC 330 V悬浮电源在编组内组成干线网。根据计算和试验情况，一辆车在超载情况下的平均悬浮 功率为30 kW左右，综合考虑起浮和降落时的功率需求 以及体积重量的限制， 单个DC 330 V悬浮电源柜的输岀 功率确定为60 kW。当一节车的悬浮电源发生故障时，通过悬浮电源干线网，剩余两台悬浮电源仍能继续为车辆 悬浮提供电源，维持故障运行。另外，考虑到只要车辆悬 浮系统能正常工作，列车编组就应能自主牵引回库，因此,牵引逆变器的散热风机的备用电源从悬浮电网取电。第三类是1

12、10 V直流负载，主要包括各系统控制电 路、电动车门、应急照明及通风以及车载信号与通信设备 等，由DC 110 V控制电源柜供电。同样考虑到 DC 110 V 控制电源的必不可少， 在列车编组内组成了干线网 。正常量选取是以保证列车在最高时速120 km时紧急制动后安全降落，并且乘客安全撤离车辆所需的能量为原则。经过估算和留取一定的安全裕量，330 V蓄电池的容量为27 Ah, 110 V蓄电池的容量为 16 Ah。2主要电气设备2.1高压隔离开关箱高压隔离开关箱为SIV(三相辅助逆变器)与悬浮电源的高压输入端的隔离与保护电路。2.2 DC 330 V悬浮电源箱DC 330 V悬浮电源箱将 D

13、C 1 500 V输入电压变换为 DC 330 V电压，主要为列车悬浮控制器、DC 110 V控制电源、VVVF风机及电抗器风机备用电源提供电源，同时为330 V蓄电池组充电。采用高频DC/DC变换，具有动态 响应快，耐电流冲击能力大等特点 。由于磁浮车的悬浮系统本身是一个临界亚稳态系 统，容易产生失衡而震荡，从而引起对悬浮电源的冲击。因此，在研制过程中，着力提高 DC 330 V悬浮电源的耐 电流冲击能力，短时过载能力达额定输出的23倍，尽可能地为车辆悬浮控制器提供短时过载的能量，使之迅速 恢复平衡状态；提高系统的动态响应速度和控制稳定裕 量，避免与悬浮电网共振， 提供系统的可靠性。另外，由

14、于组成了干线网， 如何使连接在干线网上的 各个悬浮电源柜之间均流是实现工程应用的一个关键问 题。如果处理不好，在悬浮负载快速变化的影响下，各悬浮电源柜之间的输出容易引起振荡，从而引起电网振荡，最终导致整个悬浮系统崩溃。在本研究中，悬浮电源的均 流采取输岀特性自动均流加网络控制的方式实现，效果 非常好，各电源柜的输出电流差异控制在几个安培以内， 响应时间为 500 ms左右。2.3三相辅助逆变器箱三相辅助逆变器箱内含一路主DC- DC- AC逆变器及一路备用 VVVF风机电源。为了解决低速磁浮车对设备 要求低噪声、小型轻量的问题，辅助逆变器采用前端 DC/DC高频变换加两电平逆变器的模式，不仅避

15、免了传 统的工频变压器和电抗器的电磁噪声，同时大大减小了 体积和重量。风道也采取了必要的措施来吸音降噪。2.3.1 主 DC- DC-AC 逆变器主DC-DC-AC 逆变器将 DC 1 500 V电源逆变为三 相交流3X 380 V/50 Hz电源供车载交流设备，如空调机、空压机、VVVF通风机、电加热器、单相AC 220 V方便插 座负载及交流照明负载等用电。2.3.2 VVVF风机备用电源VVVF风机备用电源将DC 330 V电源逆变为三相交流3X 380 V/50 Hz电源，在主 DC- DC- AC逆变器发生故 障时，VVVF通风机、电抗器风机将被自动切换到备用 DC/AC逆变器进行供

16、电。2.4 DC 110 V控制电源DC 110 V控制电源 将DC 330 V输入电压变换 为 DC 110 V电压，给列车的直流照明、车灯、通讯和控制系 统、紧急逆变器等所有 DC 110 V用电设备供电。2.5紧急逆变器当因为某种原因，车辆无法为空调机组提供正常的 工作电源时，紧急通风模式启动 。紧急逆变器将车载 110 V蓄电池提供的直流电压转换成3相交流电压供给空调机组的通风机，使车辆空调机组按紧急通风运行，保证车厢内仍有一定的通风量，以保证旅客生命安全 。2.6蓄电池箱蓄电池组为镍-氢结构，当列车上的电源装置停止 工作或发生故障时，为车上的紧急负载提供电源。110 V蓄电池紧急负载

17、包括全部应急照明、全部通信设备(乘客报站信息和列车无线通信)、重要功能的总线通信网络、紧急通风。330 V蓄电池紧急负载包括全部悬浮控制器。摒弃了传统的铅酸蓄电池和镍镉蓄电池，采用新型环保、比容量更大的镍氢蓄电池。由于镍氢蓄电池温度特性和 耐充电能力等因素，蓄电池的充电策略和管理也成为关 系磁浮列车可靠运行的关键问题。2.6.1 330 V蓄电池330 V蓄电池系统在磁浮列车运行过程中发生抖动 时提供DC 330 V悬浮电源供电不足的部分，或吸收悬浮 电磁铁反馈的能量 。且短时放电能力需满足当 车载 DC330 V悬浮电源故障时，列车紧急制动和降落的要求 。2.6.2 110 V蓄电池当车载D

18、C 110 V控制电源发生故障时，110 V蓄电 池应为车辆上应急设备如应急照明、应急通风等提供电源，时间至少15 min。2.7 DC 330 V配电柜车上的DC 330 V配电柜分为1#柜和2#柜，主要实 现列车DC 330 V电网干线连接，完成 DC 330 V悬浮电 源和330 V蓄电池的连接，以及为车辆的悬浮控制器、DC110 V控制电源、VVV F风机备用电源提供配电保护。2.8低压配电柜低压配电柜为列车上的低压用电设备配电和提供过 载、接地等保护及 DC 110 V列车干线贯通连接。3主要设备技术参数3.1DC330 V悬浮电源标称输入电压/V(DC)1 500输入电压范围/V(

19、DC)1 000 2 000输岀电压/V(DC) 输338 士 3.38岀纹波因数/%额定容<5量/kW60均流所有DC/DC模块能自动均流，不弓I起DC 330 V电网振荡 应急启动蓄电池过放或故障时能起动变换器外形尺寸/mm质量/kg 冷却方式效率/%1 380 X 805 X 550（长 X 宽 X 高400SV型式DC- DC-ACIGBT 逆变器过载150%过载，系统10 s后关断;200%过载，系统立即关断外形尺寸/mm1 760 X 850 X 550（长 X 宽 X 高）噪声(相距1 m处)/dB (A)<70强迫风冷噪声(相距1 m处)/dB (A) 防护等级三相

20、辅助逆<70IP5432变器箱标称输入电压/V（DC）1 500输入电压范围(额定负载)/V(DC1 000 2 000380 士 19三相输岀电压/V(AC)输出频率/Hz50 士 1输岀容量/kVA50输出波形正弦波输出电压总谐波含量/%<10> 92总效率(额定条件下)/%>90冷却方式防护等级33DC110 V控制电源柜'标称输入电压/V （DC） 输入电压范围/V （DC 输岀电压/V（DC 输 岀纹波因数/%额定 输岀功率/kW强迫风冷IP54330 210360 110± 2.2<56均流所有DC/DC模块能自动均流，不引起DC11

21、0V电网振荡应急启动蓄电池过放或故障时能起动变换器外形尺寸/mm750 X 450 X 300（长X宽X高）质量/kg冷却80方式强迫风冷效率/%>90噪声（相距1 m处）/dB（A<704运行模式4.1 正常起动1）闭合蓄电池。按下司机台110 V蓄电池闭合按钮，发岀110 V蓄电池闭合信号（此信号为110 V脉冲信号），低压配电柜内 KM1闭合，110 V蓄电池接入系统，整 个系统的控制得电。按下司机台330 V蓄电池闭合按钮， 发岀330 V蓄电池闭合信号（此信号也为110 V脉冲信号），1#DC 330 V配电柜内 KM3闭合，330 V蓄电池接入 系统。2启动。闭合司机台

22、上的启动按钮，向各设备发岀启动信号（此信号为 110 V电平信号）。DC 1 500 V/DC 330 V 变换器、DC 330 V/DC 110 V变换器、三相辅助逆变器检 测到启动信号后，进行自检，系统正常后开始工作。4.2停机1）断开司机台上的启动按钮，向设备发岀停机信号，系统各设备停止工作。2按下司机台上的蓄电池断开按钮，发岀蓄电池断开信号，相应接触器断开，蓄电池从系统中断开 。4.3故障运行1）空调控制器检测到正常的三相交流输入没有后， 给紧急逆变器发出启动信号，紧急逆变器自检正常后开 始工作，为车箱内提供应急通风 。2三相辅助逆变器故障后，VVV F风机备用电源工作自动启动。3）复

23、位，当系统内有设备上报故障时，如果该故障允许复位，可按下司机台复位按钮复位，故障设备复位重 启，而系统内正常工作设备继续工作。4其它设备故障运行模式可参见系统故障保护策略。5系统故障保护策略5.1DC110 V控制电源具有短路、过压、欠压、过流、过热等保护。当设备保护动作后，通过网络发送故障代码，供事件记录器记录及司机室显示装置显示。当编组内有一台 DC 330 V/DC 110 V 变换器发生不可复位恢复的故障时，列车可维持运行，当有两台DC 330 V/DC 110 V变换器发生上述故障时，要求列车速度降级，限速运行，回库检修。5.2 DC 330 V悬浮电源具有短路、过压、欠压、过流、过热等保护