超级电容储能有轨电车牵引风机供电系统优化
发布时间：2022-03-22
摘要：针对超级电容有轨电车车辆顶部空间有限、无法进行直接冗余配置辅助逆变器来保证牵引散热风机冗余供电的问题，提出了一种通过复用客室空调风机逆变器在应急情况下为牵引风机供电的方法。分析了传统车辆辅助系统空间布置存在的问题，对方案进行了优化，在不额外增加辅助逆变器的前提下，能够实现牵引风机冗余供电，提升车辆运行可用性。分析了司机在切换操作的可操作性。并对空调进行了实际改造，在新风腔里增加一个接触器电控盒，实现对牵引风机的辅助供电。实际应用结果表明，该方案安全可靠，系统性能更优，切换操作流程简单，新增器件少且占用空间小。
关键词：超级电容;空调系统;风机;并联供电
0 引言
接触网供电轨道交通车辆系统如图1所示，在大多数情况下，架空接触网并不会产生严重的景观影响，但在具有悠久人文历史的城市建筑物、大城市的标志性建筑物、有限的垂向限界的高架桥下、隧道或大的道路平交路口等区域不允许使用架空接触网，甚至有些城市都不允许使用架空接触网[1] 。
为解决架空接触网对景观的影响，2014年底储能式现代有轨电车正式上线运营，采用超级电容储能[2] 。在牵引工况时依靠自身储能提供动力电能运行，在电制动工况时储能电源可将再生制动电能吸收再利用;停站时，由地面充电站利用乘客上下客时间通过受电器实现快速充电储能，保证车辆的无网连续运营。超级电容储能有轨电车具有绿色、低碳、美观三大优势，集灵活、安全便捷于一身，其突出绿色、智能的理念将引领世界轨道交通未来的发展[3-4] 。
在全球面临能源危机和可持续发展的挑战，交通约占世界能源使用总量的20%，城市交通占其约40%[5] 。超级电容有轨电车的研制成功不但提升了能量的利用效率，同时也解决了有些城市使用架空接触网对城市景观的影响[6] 。
超级电容应用于有轨电车解决了环境视觉污染等问题，提升了能量利用效率。但由于有轨电车设备全部布置在车顶，增加超级电容储能系统后，就需要对车辆的布置进行极大的优化，对于车辆某些设备就无法通过冗余配置来保证其可靠工作。比如在国内的地铁车辆中，为提高辅助系统的供电可靠性，采用了并网供电和交叉供电的方案[7-8] ，并取得了一定的效果。对辅助逆变电源并联运行控制研究[9-10] 也验证其具备较好的同步性。项目在执行过程中就面临冗余配置辅助逆变器的办法来保证牵引风机的可靠供电，因此本文提出了储能式现代有轨电车牵引风机的并联供电的方案，是在车辆不额外增加空间、设备的基础上，从车辆系统角度进行解决问题。
1 传统辅助系统空间布置
图 2 所示为传统车辆的辅助系统供电网络的拓扑图，整车通过两台辅助逆变器给全车提供稳定的交流和直流电压，其中一个辅助逆变器无交流输出，所以仅通过一台15 kVA辅助逆变器为整车提供交流辅助电源。交流负载包括 3 台牵引风机 (0.7 kW/台) 和 2 台司机室空调(1.67 kW/台)。
辅助逆变器故障对交流网络影响最大的是牵引风机，如果该辅助逆变器出现故障，3个牵引箱的风机都将无法正常工作，最终导致牵引逆变器散热不畅也无法实现其具体功能。
2 牵引风机供电方案优化
2.1 优化方案
为了解决辅助逆变器故障造成的风机无法工作的问题，考虑将客室空调的逆变器三相输出和列车的三相母线并联共同为牵引风机提供交流电源。
在 T 模块和 M 模块分别安装一台高压直流变频空调，在超级电容正常工作时，高压变频空调将继续工作而不受辅助逆变器影响，所以将客室空调的逆变器输出引入列车的三相母线将增加了牵引风机的电源冗余。但是为了保证空调系统的逆变器和辅助逆变器不出现并网的情况，将在客室空调逆变器输出端增加输出接触器;同时切除原本挂接在空调逆变器下的空调风机，即启动该冗余电源系统后客室空调系统将损失部分制冷功能。
2.2 供电优化分析
当前辅助逆变器三相输出的原理如下：正常情况下是由列车网络根据辅助逆变器的工作状态通过SKS模块控制=33-K01接触器来实现辅助逆变器与列车三相母线的通断。
相关期刊推荐：《电力电容器与无功补偿》(双月刊)创刊于1980年，由西安电力电容器研究所、中国电工技术学会电力电容器专委会主办。设有：论文、设计和研究、制造技术、试验研究、使用与维护、综述、专题讲座、问答及消息报道等栏目。
由于辅助逆变器三相输出出现故障后有再次投入的风险，故在屏柜中增加一个辅逆三相切除的旋钮，用来手动切除辅助逆变器，切除后辅助逆变器的三相输出将与列车三相母线隔离。在屏柜中增加了三相母线隔离旋钮，驱动继电器=33-K02，通过=33-K02 继电器的动作使=33-K01动作，从而将辅助逆变器从车辆三相母线上分离。
该项目中新增列车线缆贯穿全车，通过该硬线列车线可以将辅助逆变器的三相切除命令发送给2台客室空调和2台司机室空调，司机室空调收到命令后将停止工作，客室空调收到命令后将切除部分制冷同时将空调逆变器投入列车三相母线，实现给牵引风机供电。
2.3 供电切换操作流程
由于辅助逆变器无网络功能，所以从辅助逆变器三相输出切除到客室空调逆变器投入/断开必须由人工干预才能完成，图3所示为从辅助逆变器故障到辅助逆变器正常时的动作流程。
3 供电优化方案实施
在通风机供电回路中增加 2 个接触器 KM1、KM2。空调正常工作的时候，KM1 吸合，KM2 释放，KM1 和 KM2硬件互锁。当空调接收到辅助逆变器三相切除信号持续一定时间后，空调关机，通风机停止工作，KM1释放，再间隔数秒后KM2吸合，控制系统发出指令，通风机变频器启动，牵引风机正常工作。当空调接收到辅助逆变器故障解除信号持续一定时间后，通风机逆变器停止工作，KM2释放，再间隔数秒后KM1吸合，空调根据硬线信号的指令工作。当空调重启后，将重新保持KM1 闭合、KM2断开。
改造后的原理如图4所示。同时对原有的空调机组结构不做改动，在新风腔里增加一个接触器电控盒，实现对牵引风机的辅助供电，对应的空调实物改造如图5 所示。
4 结束语
本文通过研究冗余供电系统，设计了储能式现代有轨电车牵引风机的并联供电的方案，实现了不增加辅助逆变器的情况下在辅助逆变器发生故障时为牵引风机的冗余供电。该方案是一种备用式供电系统创新，方案目前分析方法已经运用到广州、淮安和武汉等100多列现代有轨电车上，结果表明其安全可靠，切换操作流程简单，新增器件少且占用空间小，运行良好。——论文作者：邓谊柏1,2 ，李跃中3 ，李婷婷1 ，司尚卓3 ，陈朝晖3
参考文献：
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