高铁动车组辅助供电装置调制策略研究

高铁动车组辅助供电装置调制策略研究

李清征 回沛峰 杨杨

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000

摘要：近年来，我国发展越来越迅速随着电力电子器件轻量化和高功率化的发展，多电平逆变器已广泛应用于高速动车组等高压大功率场合。本文通过对单相二极管钳位型三电平逆变器的拓扑结构进行分析，研究了一种适用于该拓扑结构的空间脉宽矢量调制算法。该调制算法将单相电压空间矢量图分为4个扇区，根据伏秒平衡原理，利用区间内的2个参考电压矢量实现输出电压矢量合成，并采用控制冗余矢量输出状态的方法保证直流侧电容电压的均衡。

关键词：高铁动车组；辅助供电装置；调制；策略；研究

引言

充电机是动车组上重要的供电设备，充电机箱内部安装了大量的电气元件，结构复杂。随着动车组运行速度的不断提高，箱体结构安全对产品的安全性与可靠性越加重要。一方面需要保证产品的可靠安装;另一方面需要考虑内部元器件的稳定性，保证设备正常运行。本文应用有限元计算对充电机箱进行了静强度分析，同时考虑动载荷对焊缝的影响，对结构焊缝进行了疲劳强度分析。

1国内动车组辅助供电系统概述

动车组辅助供电系统主要包括：主电路、控制电路、辅助电路三部分。辅助电路是由各种电线路、电气设备、辅助电源组成，通过分析电路系统的构成可得知，动车组行车必须用电负荷，不仅包括上述主要电路部分，还包含了各个电压等级电源、电负荷等，以此构成列车辅助电路。供电辅助系统能够为动车组的高速运行提供保障，为乘客的出行提供便捷，为乘务员的工作提供支持。据相关报道显示，我国机车辅助电路一般应用的是旋转劈相机供电形式，但在实际应用中，这类供电方式的弊端较大，比如：噪音大、供电效率不足等，且供电电网的恒定性不足。目前，国内和谐号动车组辅助供电系统类型主要如下。国内和谐号动车组辅助供电系统主要包括：CRH2动车组辅助供电系统、CRH3动车组辅助供电系统、CRH1动车组辅助供电系统、CRH5动车组辅助供电系统。

2动车组辅助系统工作原理分析和研究

2.1辅助供电系统

本文按照CRH系列动车组常见的两个单元、八辆编组的形式，编组形式与CRH3相似，供电系统与CRH2动车组相似。引用的技术标准与规范主要包括：IEC77-68电力牵引设备规则；GB-3317-82电力机车通用技术；IEC146-2半导体自动转向变流器；UIC550客车供电装置；IEC571-2机车电子设备；GB1461-83标准铁轨、铁路机车车辆界限；IEC1287-1机车车辆电力变流器；UIC555客车电气照明；IEC850牵引系统供电电压；TB1126-87机车控制与照明电路电压。

2.2电力结构设计

为保障动车组动力均匀分布、动车组配重均匀，实现电路结构的简化，需要综合考虑各项因素。应用某动车组编组形式，拟定设计的动车组为八辆车、两个单元组成，每个单元均设置有两个动车与两个拖车，某一单元设置为M-T-M-T，另一个单元则设置为T-M-T-M动车组上每个单元均设置1台主变压器辅助绕组，将其作为本单元的辅助供电系统。为保障动车组机械设备的稳定运行，在每个单元内设置有2套逆变器、110V供电电源、2套辅助整流器。辅助整流器、逆变器选择一动一拖的供电形式，在其中一套整流器与逆变器故障时，另一套依旧可承担电力供应。

3直流侧电容电压均衡策略

直流侧电容中点电位波动是二极管钳位型拓扑结构存在的固有缺点，而三电平中点钳位型逆变器在运行中必须要保证直流侧中点电位平衡，否则负载中会出现偶次谐波，部分开关器件所承受的电压也会随之增大，不利于逆变器的安全运行。通过上文分析可知，大矢量和零矢量对中点电位不产生影响，而小矢量却影响中点电位的平衡。正小矢量PO和负小矢量ON作用电路图。以正小矢量PO的作用为例，，上电容C1的电流流向为O→A，下电容C2的电流流向为O→B，由此可知，此时上电容C1放电，下电容C2充电，导致上电容电压小于下电容电压。如果将此时的PO状态转换为ON状态，输出电压均为E/2，但是此时上电容C1的电流流向为A→O，下电容C2的电流流向为B→O，此时上电容C1充电，下电容C2放电，充放电的顺序恰好与PO作用时相反。

3.1充电机箱静强度分析

充电机箱静强度评估重点关注两个方面:箱体关键部位的可靠性评估，如箱体吊装位置的安全系数以及功率模块、变压器等关键元件安装结构的安全系数;箱体出现应力集中的部位，在应力集中的作用下母材极易出现疲劳影响产品寿命，因此需重点评估。通过静强度计算获得充电机箱在各静强度载荷工况作用下的应力分布情况。工况1—工况5静强度计算结果。由计算结果可知，箱体在纵向正向冲击时，最大应力为110MPa;反向冲击时，最大应力为117MPa;在横向正向冲击时，最大应力为55MPa，反向冲击时，最大应力为54MPa;垂向冲击时，最大应力为53．7MPa。以上应力均远小于材料屈服强度，按照EN12663－1:2010标准，充电机箱静强度符合要求。

3.2辅助系统参数

为保障制造成本，辅助系统零部件，一般选择国产部件，设置对应的供电形式。若辅助机选择三相400V供电形式，控制系统与照明系统选择DC110V供电形式。为满足通用化需求，一般列车电茶炉、插座选择单相220V供电。辅助系统负载容量确定：牵引电机坑却风电机容量：P风压代表的是全压，单位：Pa，牵引电机要求为2000Pa；Q属于风量，单位：m3/h，两台牵引机风量为3000m3/h，风量(Q)为3600/s；K属于容量储备，一般取值1.20；η属于全压效率，取值0.70；η1属于机械效率，取值1.0。本文大气压取值102kPa，重力加速度取值9.8N/kg。因此，Pw=2.86kW。在设置阶段，需要综合考虑逆变器对冷却风机电机供电产生的损耗，功率最大取值为4kW，在Mc车与M车上设置2台冷却风机，则电机容量为8kW。空压机电动机：排气量参数V，取值1.5m3/min；压缩级数Z，取值为1.0；吸气压力P1,取值为1.01bar；绝热压缩指数K，取值1.40；排气压力P2,取值为10bar。1bar/min=1.667kPa/s。辅助系统包括：4台辅助系统整流装置；4套110V供电电源及蓄电池组；4台辅助系统逆变器；辅助系统电缆母排、辅助系统电气配电柜。辅助系统选择交-直-交的供电形式，沿用了CRH2系统动车组的低成本、高效率特点，可吸取各个类型动车组的优点。

结语

IGBT半导体元件正在进一步发展,可望不久的将来就会有反向峰值电压为6.5kV的IGBT。这样就可将级联电路中的分变频器数减少到8个,系统的复杂程度也就随之降低。此外,还有进一步减轻重量和缩小体积的巨大潜力。设计传输功率达2MVA的轻型的供电装置是不成问题的,因为至今的设计还没完全用尽IGBT的电流负荷能力,而且今后的IGBT的电流负荷能力还可望进一步提高。本文所介绍的轻型的供电装置已正式投入生产,现逐步投人使用。在铁路研究工艺中心的试验站按铁路规定负荷条件(过电压、欠电压、跳弓以及减载)对装置进行了试验。此外还规定要做振动试验,以验证装置对铁路的适用性,紧接着装车进行持续走行试验。准备用正在设计中的iLREX轻型快速区间电动车组作为试验车。

参考文献

［1］TB/T3058—2016，铁路应用机车车辆设备冲击和振动试验［S］．

［2］EN12663－1—2010，铁路车辆车上的结构要求第1部分:机车和客运车辆［S］．

［3］DVS1612—2014，轨道车辆制造中钢材焊接的设计和疲劳强度评估［S］．