波士頓地鐵直流低壓輔助供電系統設計與研究

單正輝

(中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)

波士頓地鐵由司機室車(Cab Car,CC)和非司機室車(Non-Cab Car,NC)構成1個編組,根據不同的運營工況可實現靈活編組,以達到能源利用和運營效率的最大化。

根據列車各系統控制電源、蓄電池等直流負載類型與數量、規格與參數、列車編組形式與數量、故障冗余供電要求等確定直流輔助供電系統輸出容量、輸出性能、充電性能等頂層設計技術指標;結合空調、牽引風機、空壓機、單項插座等交流負載的類型與數量、規格與參數、列車編組形式與數量、故障冗余供電要求等確定交流輔助供電系統三相與單相輸出容量、輸出性能、過載能力等頂層設計技術指標[1]。本文將重點對波士頓地鐵直流低壓輔助供電系統整體的功能進行詳細闡述。

1 輔助系統概述

1.1 輔助系統組成

輔助供電系統(Auxiliary Power System,APS)主要包括直流低壓輔助供電系統(Low Voltage Power System,LVPS)和交流輔助逆變器(Auxiliary Power Inverter,API)。直流低壓輔助供電系統具有輸出DC 37.5 V電壓的能力,為車載設備提供控制和充電電源;交流輔助逆變器具有輸出頻率為60 Hz 的三相AC 230 V 和單相AC 120 V的能力,為車載交流負載提供工作電壓。輔助系統概念設計框圖如圖1所示,在CC車和NC車上均安裝了相同的APS。

SPDK—車間電源檢測接觸器;CB—斷路器;BD—二極管;HVDB—高壓箱。

1.2 輸入輸出電源

該項目采用第三軌受電方式,輸入電壓為DC 600 V,API和LVPS通過DC/DC Converter、CVCF Inverter及DC Output Filter等設備后分別輸出三相AC 230 V、單相AC 120 V以及DC 37.5 V。

1.3 冗余控制方式

LVPS采用并網供電模式,供電過程由系統自動控制,無需人工干預,當某臺逆變電源故障時將自動與母線隔離,剩余電源繼續正常供電,全列負載不受影響,確保乘坐舒適性[2]。一個編組內的2個API設備,當其中一個API發生故障時,通過控制擴展供電接觸器閉合,由工作狀態良好的API為整列車的交流負載供電?？紤]到API的容量有限,此時每輛車的空調要減載運行[3]。

2 LVPS輸出電壓控制

LVPS的輸出電壓控制功能主要包括:基于溫度補償的恒壓、恒功率控制,限流模式控制以及過流保護和短路保護等,如圖2所示。根據IEEE 1476:2000《客車輔助電力系統接口》,在額定功率下LVPS輸出電壓的上限值設置為DC 40.6 V,這是因為LVPS同時為蓄電池和其他直流負載提供電源。DC 40.6 V的上限值由該標準中規定的42.5 V計算得出的。計算過程如下:

圖2 LVPS輸出電壓控制

42.5/1.02(考慮控制公差2%)=41.67 V

41.67-1(考慮帶斜坡的恒壓控制)=40.67 V

因為設定值需低于DC 40.67 V,所以采用DC 40.6 V作為上限值。

2.1 蓄電池溫度補償

現階段,大多數備用電源中的能量存儲依靠蓄電池。為了提高供電持續性,勢必要提高蓄電池組性能?？紤]到技術、資金等因素,常用的是采用單充電機對整組串聯蓄電池進行充電。將充電機調整到恒壓限流形式,與電池組并聯,如果電池組容量損失,充電機將自動對其進行補充[4]。

通過對蓄電池的過充電保護及過充閾值電壓進行溫度補償特性的研究[5],優化充電控制和保護邏輯,大大提高了蓄電池的使用壽命和安全性。

2.1.1 蓄電池溫度采集

LVPS接收來自網絡監控系統(Vehicle Monitoring System-VMS,VMS)的蓄電池溫度信號。蓄電池溫度采集過程如圖4所示。

(1) 溫度傳感器連接到LVPS#1;

(2) LVPS#1接收電池溫度信號;

(3) LVPS#1通過列車網絡向VMS發送蓄電池溫度信息;

(4) VMS向LVPS#1和LVPS#2發送蓄電池溫度信息,LVPS使用該溫度信息進行輸出控制;

(5) LVPS#1和LVPS#2分別被安裝在CC車和NC車上。

如果蓄電池溫度低于-4 °F(-20 ℃)或高于140 °F(60 ℃),停止蓄電池溫度補償。在額定功率下,LVPS輸出電壓被控制在DC 35.5 V,防止蓄電池被過度充電,如圖3所示。

GCU-門極控制單元。

此外,如果蓄電池溫度低于-35 °F(-37 ℃)或高于140 °F(60 ℃)的工況持續20 ms,LVPS將觸發蓄電池溫度異常警報,通知司機或維修人員采取相應的措施。

蓄電池充電電壓補償曲線如圖4所示。本項目環境溫度范圍設置在-29～49 ℃之間,且蓄電池溫度可能高于環境溫度。

圖4 蓄電池充電電壓補償曲線

2.1.2 目標輸出電壓

根據溫度補償曲線來計算目標電壓UT:

(1) 當蓄電池溫度TB<-20 ℃或TB>60 ℃時,目標電壓UT會被限制為DC 35.5 V,以確保蓄電池的充電安全,防止充電電壓過高造成蓄電池組的損傷或爆炸;

(2)-4.8 ℃

(3) 20 ℃

2.1.3 實際輸出電壓

實際輸出電壓受負載影響,計算方法如下:

額定電流IR=12.5×1 000/UT;

無負載工況下輸出電壓U1=UT+1;

LVPS輸出電流IDC由電流傳感器測得;

理想輸出電壓U2=U1-IDC/IR;

考慮±2%的誤差后,實際LVPS輸出電壓U3應該在如下范圍之內:0.98U2

2.2 恒壓控制

LVPS輸出由溫度補償曲線所確定的目標電壓,隨著LVPS輸出電流的減小,其輸出電壓隨斜坡小幅逐漸增加,如在20 ℃時其斜坡特性為 (0 A,DC 38.5 V),(333 A,DC 37.5 V),如圖3所示,即LVPS輸出電壓會隨著輸出電流在DC 37.5～38.5 V內以±2%的誤差波動。

但以下工況LVPS輸出電壓可能會超出規定范圍:

(1) 在直流限流模式。

(2) 直流負載突變,輸出電壓會被控制在額定LVPS輸出電壓的±10%;在蓄電池不作為直流負載的工況下,車載其他直流負載突變,LVPS最大輸出電壓不會超過DC 44.7 V。

(3) 輸入電壓突變,將導致LVPS輸出電壓發生持續100 ms的突變。

2.3 恒功率控制

根據溫度補償曲線確定輸出目標電壓,LVPS可以根據不同的目標電壓保持額定功率12.5 kW輸出。

2.4 限流、過流及短路保護

2.4.1 限流模式

當直流輸出電流超過352 A(12.5 kW/DC 35.5 V),LVPS系統將激活限流模式,輸出電流將被限制在352 A左右。

2.4.2 過流保護

當直流輸出電流達到或超過500(1±3%) A,LVPS系統將激活過流保護,LVPS將停止輸出3 s,如果電流值回到正常范圍后可自動復位;如果在1 min內該工況連續發生3次,LVPS將永久停止工作,需要進行手動復位激活。

2.4.3 短路保護

在限流模式工況下,如果檢測到輸出電壓小于DC 20(1±5%) V并持續5 s,短路保護將被激活,LVPS將停止輸出3 s,如果電流值回到正常范圍后可自動復位;如果在1 min內該工況連續發生3次,LVPS將永久停止工作,需要進行手動復位激活。

3 監控及故障診斷

可以通過網絡控制系統VMS或便攜式測試裝置(Portable Test Unit,PTU)對LVPS系統的狀態進行實時監控和故障診斷。

3.1 LVPS與網絡系統VMS接口

LVPS與VMS的以太網接口滿足IEEE 802.3系列標準和IEC 61375-3-4:2014《鐵路電子設備 列車通信網絡(TCN) 第3-4部分:以太網組成網絡(ECN)》的相關要求。

3.2 狀態監視

通過VMD對LVPS系統的運行狀態進行監控,如圖5所示。

圖5 LVPS系統狀態監控

3.3 故障診斷

VMS可以實時顯示及查詢歷史故障信息,如圖6所示,指導司機或維修人員及時應對和處理故障。通過故障存儲功能,維修人員可以通過PTU下載故障記錄用于故障的分析和處理。

圖6 故障信息實時顯示與下載分析

4 試驗驗證

本文對LVPS在正常和非正常溫度工況下的輸出電壓控制及故障診斷能力的試驗驗證過程進行了闡述。通過LVPS的實時數據管理(Real Time Data Monitoring,RTDM)數據可以獲得蓄電池溫度、充電電壓、充電電流、LVPS輸出電流、LVSP工作模式等信息,并將它們用于試驗驗證,如圖7所示。

4.1 正常溫度工況驗證

在室溫環境下,蓄電池放電30 min后,啟動LVPS系統進行直流負載供電和蓄電池充電;在非限流模式下,當LVPS輸出電流小于100 A后,測量輸出電壓U3,其應滿足2.4.2中所規定的0.98U2

表2 正常溫度工況下的試驗結果

4.2 非正常溫度工況驗證

蓄電池放電30 min后,啟動LVPS系統進行直流負載供電和蓄電池充電,分別對蓄電池溫度傳感器進行加熱和降溫操作,使溫度達到140 °F(60 ℃)以上和-4 °F(-20 ℃)工況,并持續一段時間;在非限流模式下,當LVPS輸出電流小于100 A后對輸出電壓測量,其應滿足2.4.2中所規定的0.98U2

表3 非正常溫度工況下試驗結果

4.3 溫度異常報警驗證

由于蓄電池溫度決定了其充電電壓,因此在溫度異常工況下,如果對蓄電池持續進行高壓充電是十分危險的,為了防止這樣的危險工況發生,一方面充電控制邏輯要將充電電壓限制在一個合理的范圍內,以保證其他直流負載的正常工作,而又不造成過充的現象;另一方面要通過蓄電池溫度異常報警告知司機或維修人員及時采取措施。

為了驗證溫度異常報警功能,在非正常溫度工況試驗過程中使用熱風槍對蓄電池溫度傳感器進行持續加熱,使其超過預先定義的閾值,3 s后在VMD上查看,已顯示“OUT OF RANGE battery temperature”報警信息。停止加熱,待溫度恢復正常范圍5 min后故障自動解除。在溫度超過閾值的工況下,LVPS輸出電壓會被限制在35.5 V左右,從而保障蓄電池的充電安全。

5 結束語

本文從系統組成、輸出電壓控制、狀態監控、故障診斷及試驗驗證等幾個方面系統性地闡述了波士頓地鐵直流輔助系統的研究與設計,重點研究了異常溫度工況下的充電控制邏輯,避免由于過度充電而導致的蓄電池組損傷或爆炸的風險,使其輸出電壓能夠同時滿足直流負載正常工作及蓄電池組安全充電的需求,并通過了試驗驗證和運營考核。