城市轨道交通中辅助供电系统的研究

赵志 刘洋 杨雷

摘 要：城市轨道交通车辆辅助供电系统有80%的容量都是为空调系统供电，目前空调机组内电机均为交流电机，辅助逆变器通过直流-直流-交流-直流-交流将DC1500V直流逆变为AC380V为空调系统供电，随着变频空调的大量使用，该辅助供电系统的方案因多次进行电能变换导致效率低下，本文提出一种新的辅助供电系统拓扑方案，能极大的提升系统供电效率，降低车辆重量和成本。

关键词： 轨道交通;辅助逆变器;空调系统;变频

1 概况

近年来城市轨道交通在国内飞速发展，车辆运营考核制度也趋于成熟，节能和减重已经列入车辆性能的重要考虑目标。同时随着变频技术的迅猛发展，变频空调已经在国内普及，我国应用变频空调的城轨电客车主要基于原定频空调列车结构进行的改进，主流方案是在电客车的定频空调前增加了变频器控制，从而实现变频变压，提升空调的综合效率。这种方式对整车的更改较少，但是从变频空调供电结构看，由于变流结构比较繁琐，各个环节总的能量损耗大，供电的效率较定频空调来说，反而有所降低，从而制约了列车空调系统整体效率的提高

2 辅助供电系统

如下图所示，传统辅助供电系统拓扑结构图，该图为变频空调系统。

虽然变频空调本身能够实现节能，但是电源系统本身的效率将会由于加入更多的电能转化环节而降低（例如：92%（辅逆） x 92% （变频器）= 85%。同时该系统应用与变频空调系统，会导致如下问题：

（1）空调供电结构变流环节较多，系统本身的成本更高。

（2）变频器本身会导致辅助供电系统电压波形产生更高的畸变，从而导致列车辅助供电系统在某些情况下失效。

（3）更多的变流环节需要更多的维护工作，从而增加系统寿命内周期成（LCC）。

3 新型辅助供电系统C-lite平台

考虑到变频空调系统交-交变频，存在环节重复，多次电能变化导致大量能量损耗，整个辅助供电系统有80%的能耗用于空调，因此通过改变空调供电中间流程，可以极大提升变频空调系统的能量利用率。C-LITE平台的拓扑结构图如下：

3.1节能分析

传统车变频空调采用三相交流供电，C-LITE方案中的变频空调由直流电源供电。C-LITE电源方案的电能转换的环节较少（原直-直-交-直-交变为直-直-交），故效率更高;同时变频空调系统采用优化的温度控制算法，在保证可靠性、舒适性的前提下更节能。

3.2降本分析

经优化设计的C-LITE电源比原系统的辅助逆变器结构更简单，重量及尺寸都更小，成本比原系统的辅助逆变器更低。同时，由于C-LITE电源的单台容量较大（额定输出功率166kW），剩余2台带充电机的辅助逆变器功率在保持100%冗余的条件下，功率可由75KVA降至50KVA（功率降低，成本下降）。C-LITE电源采用独立的空调供电母线，对空调负载管理有诸多优势：如在不影响其他负载的情况下，空调系统的运行功率可根据直流供电母线的输出功率进行灵活控制;当空调出现运行故障时，不会影响到其他供电母线上的负载，从而提高了车辆运行的可靠性;便于实现母线的安全监测、冗余设计，以及空调系统的优化设计等。

3.3乘客舒适性分析

空调系统设计充分考虑了舒适性要素以满足乘客舒适性需求，通过整车空调系统型式试验验证，在执行EN14750热舒适性要求的基础上，结合PMV-PPD对舒适性的研究成果。达到如下成果：

（1）温度控制稳定性：现车实际温度控制精度达到±1℃;

（2） 温度控制响应性：变频容量控制和电子膨胀阀开度控制实现快速控温

（3）目标温度优化：依据载客量优化目标温度设定;

（4）新风量控制优化：依据载客量控制新风;

（5） 湿度控制优化：通过送风量、压缩机容量、盘管表面温度控制除湿能力。

3.4 減重分析

城市轨道交通车辆在国内已经成熟，目前的发展方向主要是从车辆的性能F方面做研究，减重和节能是其中的重要研究对象，传统辅助供电系统C-LITE平台的重量对比分析见下图

4结语

新型辅助供电系统C-LITE平台，在变频空调系统中拥有绝对的优势，从减重、成本、节能、舒适性4各方面对于传统供电系统均由较强的优势，目前城市轨道交通车辆，变频空调系统所占市场份额仍然不高，随着变频空调系统装车业绩逐渐成熟可靠，从能源的角度考虑，变频空调系统会逐步完全取代定频空调系统，因此虽然C-LITE平台在市场上取得主导地位只是时间问题。传统辅助供电系统的优势在于经过了多年的运营考核，系统非常成熟，故障率极低。

（湖南智融科技有限公司，湖南 株洲 412001）