悬挂式单轨列车辅助供电系统方案研究*

张茂帆, 刘　瑶, 王孔明, 杨美传, 杨文锐

(1　中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031；2　西南交通大学机械工程学院， 四川成都 610031；3　南昌轨道交通有限责任公司, 江西南昌 330000)



地铁与轻轨

悬挂式单轨列车辅助供电系统方案研究*

张茂帆1, 刘瑶2, 王孔明1, 杨美传2, 杨文锐3

(1中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031；2西南交通大学机械工程学院， 四川成都 610031；3南昌轨道交通有限责任公司, 江西南昌 330000)

针对悬挂式单轨车辆的特殊情况，从辅助供电系统的容量，供电方式两方面对悬挂式单轨车辆的辅助系统进行方案研究，并从辅助供电系统的结构、输入供电、交流供电、直流供电、故障状态供电等几方面进行描述。

悬挂式单轨列车；辅助供电系统；容量；辅助逆变器

悬挂式单轨起源于德国，随后在日本得到广阔的发展，但其在我国城轨交通中目前尚无应用。悬挂式单轨具有爬坡能力强、转弯半径小、运行噪声低、不易脱轨、节省道路资源、造价低等特点，因此其具有较好的市场潜力。国内越来越多的城市也对该系统表现出广泛兴趣，已有上海、合肥、济南、洛阳、温州、天津等城市对悬挂式单轨交通进行了前期研究或正进行可行性论证。

车辆辅助供电系统是车辆正常运行的重要组成部分，与车辆运行的安全性和乘客乘坐的舒适度密切相关。辅助供电系统将电网输入的直流电转化为交流电，为车载空调、通风装置、空气压缩机、辅助加热装置、照明系统提供工作电源；另一方面辅助供电系统将电网输入的直流电转化为车载各系统控制电路、车载信号与通信设备、紧急照明等工作所需要的直流电，并为蓄电池组充电。悬挂式单轨车辆作为新型城轨交通制式车辆，对其辅助供电系统进行研究是十分必要和迫切的。

1　悬挂式单轨列车辅助供电系统设计需求

1.1悬挂式单轨列车概况

悬挂式单轨交通系统是一种车辆悬挂于轨道梁下方的城轨交通系统，如图1所示。

与国内广泛应用的地铁车辆相比，悬挂式单轨列车车体结构小，编组和载客量少，运行速度低，站间距短。本论文依托的科研课题，研究提出了适用于我国的对称式悬挂胶轮单轨交通列车，相关车辆技术参数如表1所示[2]。主要针对该型列车的辅助供电系统进行研究。

图1　悬挂式单轨交通系统

内容参数车辆长度/m11车辆宽度/m2.4车辆编组/辆3(Mc-M-Mc)车辆定员/(人·m-2),(人·辆-1)5,82车辆超员/(人·辆-1)115最高运行速度/(km·h-1)70供电制式/VDC750平均站间距/m600～1000

悬挂式单轨列车少数用电设备安装在车内，绝大多数用电设备如主变流器、辅助变流器、变压器、空调机组、通风设备等均安装在车顶。车顶主要用电设备平面布置示意图如图2所示[2]。

1.2悬挂式单轨列车辅助供电系统设计需求

列车辅助供电系统的设计主要涉及到两个方面：一是辅助供电系统容量的设计；二是系统供电方式的选择。

由表1可知，单轨车辆在运行速度、编组情况、车辆定员等方面相对于地铁车辆都要小一些，所以在进行容量设计时，应当根据单轨的情况作出特殊计算。另一方面，由于单轨车辆是悬挂于高架之下的，它几乎不用通过隧道，所以单轨车辆的车载设备的工作情况与地铁车辆也有着很大的差别，这也将影响到系统容量的设计。

在选择系统供电方式时，应当充分考虑车辆车顶空间的局限性。另一方面，由于悬挂式单轨车辆的导向轮采用的是胶轮，胶轮的承载能力相对于钢轨要小一些，所以在系统的设计上应当尽量减小系统的质量。

在综合考虑以上两个方面的同时，辅助供电系统的设计也应考虑供电系统的技术要求，结合目前辅助供电技术的发展方向，考虑系统的节能性和系统的制造成本。

2　系统供电方式的选择

2.1交流供电方式

2.1.13种常用的交流供电方式概述

目前，在城轨列车上使用的辅助供电方式主要有3种：扩展供电、交叉供电、并网供电。其结构示意图分别如图3～图5所示。在早期，地铁车辆一直使用的是扩展供电方式和交叉供电方式，直到近年来才逐步开始使用并网供电方式。

图2　列车车顶用电设备平面布置

图3　扩展供电模式

图4　交叉供电模式

图5　并网供电模式

2.1.23种供电方式的分析比较

3种供电模式的分析比较如表2所示。

通过分析比较，可以看出：并网供电模式在可靠性、改善乘客乘坐舒适度、布线方面都有着明显的优势。虽然其在控制上相对比较复杂，但随着技术的发生，这已经得到了很好的解决。且并网供电模式是一种自动化程度比较高的供电模式，是目前比较成熟及先进的技术，也是未来供电模式的发展方向。通过比较分析，悬挂式单轨车最终采用并网的供电模式。

表2　3种供电模式对比表

2.2直流供电模式

本列车的直流负载都采用DC 110 V的供电模式，充电机出来有两条直流供电列车线，一条给电子负载供电，一条给正常负载供电。同时充电机还给蓄电池进行充电。在正常情况下，蓄电池处于浮充电的状态，只有当两台充电机都不能工作时，蓄电池才给紧急负载供电。紧急负载包括紧急通风，紧急照明，以及与列车安全相关的列车控制与无线通讯系统。具体的直流负载配电图如图6所示。

3　辅助供电系统容量计算

3.1交流负载容量计算

列车的三相交流负载主要有：空调系统、空气压缩机、牵引电机冷却风机、制动电阻冷却风机。其工作电压为三相380 V，50 Hz。单向交流负载：照明系统、侧墙电加热(冬季)。其工作电压为单相110 V，50 Hz。其交流负载估算结果如图3所示。

3.2直流负载容量的计算

单轨车辆的直流负载有ATC、广播系统、无线电和电子控制单元，辅助设备、乘客信息系统、列车控制电路和除霜器，紧急照明、紧急通风等。经查阅资料和计算，单轨车辆的直流负载大约为12 kW。

蓄电池的容量计算：蓄电池的容量必须保证列车在30 min内保持以下应急负载供电：全部的紧急照明，全部头灯和尾灯，与安全相关的控制系统，通信设备，客室紧急通风，所有客室侧门开关一次。紧急负载大约为10 kW。蓄电池的容量c=p/v×0.75，实际容量ce=c/k1×k2×k3，其中k1为温度补偿系数，取0.85；k2为充电效率系数，取0.8；k3为老化系数，取0.8。经计算蓄电池的实际容量为84 A·h。

图6　直流负载配电图

项目功率/kWMCMMC数量总功率/kW数量总功率/kW数量总功率/kW空调机组11222211222客室通风1221212空气压缩机7.517.5--17.5牵引电机冷却风机1221222牵引变流器冷却风机1111111制动电阻冷却风机1111111侧墙加热9218218218照明系统0.05120.6120.6120.6总计101

3.3辅助逆变系统容量计算

考虑单轨列车车顶的空间有限，在3辆编组的情况下，确保整列车辅助供电系统的冗余性，整列车采用两个辅助逆变器并网工作的方案。当一个逆变器发生故障时，为了保证列车的继续运行，需保证表4中所示的交流设备正常工作，直流设备正常工作。由以上计算可知：每列车的交流负载总功率101 kW，取平均功率因数为0.8，则交流负载视在功率为126 kW，直流负载为14 kW，整列车负载总功率为150 kW。当一个逆变器故障时，整列车减载后所剩交流负载功率为57.3 kW，取平均功率因数为0.8，则剩余交流负载视在功率为71.6 kW，直流负载为14 kW，整列车剩余负载总功率为85.6 kW。综合考虑正常情况下列车负载总功率和减载后列车负载总功率，单个逆变器的容量为86 kVA；整列车采用两个充电机，单个充电机的容量为14 kVA；整列车采用两组蓄电池，每组蓄电池的容量为84 A·h。

表4　减载后列车交流负载功率估算

4　悬挂式单轨列车辅助供电系统方案

4.1辅助供电系统结构

本列车具体的辅助供电系统结构图如图7所示。辅助供电系统包括辅助逆变器、充电机、蓄电池、相关的电器设备和隔离开关、接触器、熔断器等。

4.2输入供电

正常情况下，两台辅助逆变器通过两个集电靴从第3轨获得750 V的直流电。全车设置一条750 V的直流母线，以保证单个集电靴脱轨时，可以不间断的供给逆变器直流电压。安装在MC车上的高压箱内设置有三位的选择开关，当开关在集电靴位置时，逆变器从第三轨获得直流电压。当开关在库用位时，逆变器通过高压箱里的库用插座获得直流电压，以便于车辆的维修和调试。

辅助电源的直流输入电路应设置熔断器进行短路保护，同时辅助高压母线也应设置母线熔断器进行短路保护。

图7　辅助供电系统结构图

4.3交流供电

4.3.1交流供电概述

交流供电方案如图7所示。在两端头车车顶上安装有两台容量为86 kVA的辅助逆变器，整个系统的总输出容量为172 kVA。逆变器的具体参数如表5所示。整列车设置一条交流母线，两台逆变器并网接入交流母线中。逆变器将获得的电能转变为50 Hz，380 V的三相交流电。列车的所有交流负载从三相母线上取电，通过控制负载与母线间的接触器开关，就可以控制负载的接入与断开。三相交流母线采用三相四线制，取其中任意一项与中线之间的电压为单向220 V，为车上的照明，侧墙加热器提供工作电源。为了使每相电输出功率平衡，单向负载应尽量均分到每一相上。

表5　辅助逆变器参数

4.3.2辅助逆变器技术要求

(1)输入电压范围：对于网压为DC 750 V的系统，要求在网压500～900 V范围内能以额定功率输出。

(2)负载特性：SIV的负载很大部分是感性负载，而且是直接起动，起动时冲击电流大，启动冲击电流消失后，要求在限定时间内恢复输出电压到额定值；当逆变器发生±30%额定负载的负荷变化时，其输出电压的瞬间变化范围将不超过+15%和-20%，并应在500 ms内恢复其额定值；当逆变器已经带有部份负载的情况下，启动空气压缩机等泵类负载，这时输出电压允许下降20%，但在500 ms内输出电压恢复到额定值。

(3)过载能力：采用国标GB 12668《交流电机半导体变频调整装置总技术条件》中规定如下：在额定输出电流下连续工作时，允许施加非周期性过载，对额定容量小于或等于100 kVA的装置，过载能力为150%，1 min；

4.3.3交流负载的启动

由于三相交流负载一般都是感性负载，直接启动会有很大的启动电流，对电网造成很大的冲击。所以负载在启动时，应当使负载顺序启动。列车控制系统将通过列车总线传输一个2 s宽度的空调允许启动触发信号作为空调系统的允许启动命令，当空调系统接收到自己的启动代码时，它将在此时启动，每台空调单元之间的启动时间间隔为2 s。当列车控制系统检测到有空气压缩机启动命令请求时，列车控制系统将2 s时间间隔宽度改为7 s用来启动空气压缩机。

4.4直流供电

直流供电方案如图6所示。在两端车上分别布置一台充电机和一组蓄电池组，单台充电机的容量为14 kVA，单组蓄电池的容量为84 A·h，其具有参数如表6所示。全车设置两条正直流母线，一条负直流母线，两台充电机并网接入母线上，一条直流母线上接电子负载提，另一条接正常负载，其具体负载分配图如图3～图4所示。负母线和车体接地点连接。充电机将从逆变器获得的三相交流电转化为110 V直流电，一部分为直流负载提供工作电源，一部分为蓄电池充电。在充电机、蓄电池输出端的母线上设置隔离二极管，以保证本端充电机仅给本单元蓄电池组充电。正常情况下，蓄电池处于浮充电状态，当两台辅助逆变器都故障时，蓄电池才给紧急负载供电。

表6　充电机主要参数表

4.5系统故障状态供电

当一台辅助逆变器发生故障时，故障的辅助逆变器通过车辆总线将故障信息传给车辆控制系统，车辆控制系统发出空调减载的指令，并将故障的逆变器从供电网线中隔离。每节车保证一台空调机组工作，一台通风机工作，保证一台空气压缩机正常工作，如果在冬季，保证一半的侧墙加热运行。整列车进行减载过后，全车最大负载功率为85 kW，单台辅助逆变器的容量为86 kVA，可以保证列车继续运行。列车控制系统可以根据列车运行情况，可以适当增加空调或通风机的工作数量，从而提升乘客乘坐的舒适性。由于全车直流负载的最大功率为12 kW，小于单台充电机的输出功率，所以直流负载不用减载。

当两台辅助逆变器发生故障时，辅助逆变系统已经不能正常工作，全车进入紧急供电模式。由蓄电池为列车紧急负载供电，紧急负载包括：紧急通风、紧急照明、制动控制系统、列车通信系统等于列车运行安全相关的所有负载。全车配置有两组容量为84 A·h的蓄电池组，可以为列车提供至少30 min的紧急供电。

4.6系统的正常启动关闭

辅助变流系统的启动由列车控制单元控制。首先由蓄电池给车辆控制系统供电，控制系统激活。控制系统先控制一台逆变器连接到三相交流母线上，而此时另外一台逆变器断开，这台逆变器连接到交流母线上后进行软启动。当该辅助逆变器对三相交流母线进行供电以后，另外一台逆变器开始软启动，此时这台逆变器没有接入到交流母线上。将另外一台逆变器输出波形的电压，频率和相位对交流母线进行同步，再闭合三相隔离开关，接入交流母线。当交流母线开始供电，各蓄电池充电机按程序设置好的顺序依次接入三相交流母线开始工作。

辅助变流系统的停止同样由列车控制单元控制。当系统接到列车控制单元发出的停机命令以后，先依次断开三相接触器，关闭蓄电池充电机，然后再断开三相隔离接触器，关闭辅逆变器。

4.7系统的应急启动

当蓄电池电压低于90 V时，依靠蓄电池已经不能正常激活列车，必须利用低电平启动单元实施应急启动。低电平启动单元自动检测蓄电池的电压，当电压小于90 V时，低电平启动单元自动启动。应急启动前，利用脚泵将集电靴伸出，低电平启动单元将第三轨上直流电压直接变换为110 V的直流电，并接到110 V的直流母线上，从而给辅助逆变器内部的控制电路供电，并启动蓄电池充电器。启动时，小功率部分先建立起内部电源给内部控制和驱动电路供电，当这部分电源建立起来后，大功率部分将能源从第3轨直流线上转换到110 V直流线上输出。当检测到蓄电池电压大于90 V时，低电平启动单元停止工作。

5　结论

针对适用于我国的悬挂式单轨列车，从系统供电容量、供电方式两方面对其辅助供电系统进行了方案研究。确定了其辅助供电系统采用集中并网的供电模式，从系统的结构、输入供电、交流供电、直流供电、故障状态供电几方面对系统进行了研究分析。今后结合具体工程应用，进一步深入研究该系统。

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Research on Auxiliary Power Supply System for Suspended Monorail Train

ZHANGMaofan1，LIUYao2，WANGKongming1，YANGMeichuan2，YANGWenrui3

(1China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031 Sichuan, China;2School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China;3Nanchang Rail Transit Co., Ltd., Nanchang 330000 Jiangxi, China)

Aiming at the special case of suspended monorail train, this paper makes research about the auxiliary power supply system from two aspects of system capacity and power supply mode, and introduces the auxiliary power system's structure, input power supply, AC power supply, DC power supply, power supply of fault state and so on.

suspended monorail train; auxiliary power supply system; system capacity; auxiliary inverter

1008-7842 (2016) 02-0095-06

��)男，高级工程师(

2015-10-09)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.24

*中国中铁股份科技计划项目(2014-重点-41)