城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究.pdf

技术装备DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.02.006城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究吕艳宗，曹虎，毕京斌（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛2 6 6 0 31）摘要：现有城轨车辆的辅助供电以工频交流系统为主，其输出的AC380V交流电为变频空调等设备供电，且空调电气控制未与辅助电源设备统一考虑、协同设计，造成系统电源重复变换，供电效率不高。文章在分析现有辅助供电技术和变频空调电气控制技术的基础上，采用近年逐步展开研究的中高频变流技术、变频空调综合电源与控制技术，提出一种采用直流架构的辅助供电系统及变频空调的综合电源与控制方案，首先详细阐述2 种系统架构设计思路、综合电源装置的电气组成和控制方案，其次分析其在提高供电效率、减少部件数量、增强空调协同控制、提高乘车环境舒适性等方面的优势，同时指出方案的技术难点，最后对所述方案的技术和功能提升进行展望。关键词：城轨车辆；变频空调；直流辅助供电；综合电源与控制中图分类号：TM922.75；U 2 7 0.38*；U 2 7 0.38*31现状现有城市轨道交通（简称“城轨”）车辆的辅助供电多采用工频变流、交流母线供电技术。随着供电技术的发展，近几年出现了供电效率更高、设备更轻、体积更小的中高频辅助变流器，但在城轨车辆中一般仍采用基金项目：中国中车重大科研课题(2 0 2 1CTA084)第一作者：吕艳宗，男，高级工程师引用格式：吕艳宗，曹虎，毕京斌.城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究.现代城市轨道交通，2 0 2 4(0 2)：35-42.LV Yanzong,CAO Hu,BI Jingbin.Research on the comprehensive power supply and control scheme of inverter air conditioner for theDC auxiliary power supplies of urban rail transit vehiclesDJ.Modern Urban Transit,2024(02):35-42.现代城市轨道交通2 12 0 2 4MODERNURBANTRANST35输出AC380V的交流电为空调等负载供电。城轨车辆制冷/制热已逐步采用变频空调，输人电源以交流为主。同时，为实现紧急通风功能，全列配置相应数量的紧急通风逆变器。以6 编组标准城轨B型车为例，全列配置2 台传统DCACAC变换的工频变流器，其输人电压为DC1500V，输出电压为AC380V，输出容量约2 40 kVA。该变流器还集成输出电压为DC110V、容量为30 kW的充电机。AC380V并网形成贯穿全列的中压交流母线，为空调及其他交流负载供电。DC110V则通过低压直流母线给蓄电池充电，并给低压负载供电。列车配置12台仅有压缩机变频控制的变频空调时，全列共2 4个变频器+12 个控制器，若空调压缩机和风机都变频控制则需要48 个变频器。列车还配置6 台紧急通风逆变器。辅助供电系统拓扑如图1所示。现有辅助供电技术成熟、可靠性较高，但工频辅助变流器效率偏低（90%左右)、重量较大。变频空调供电电源变换次数多（从辅助电源DCACAC到变频空调ACDCAC共4次变换)，变流过程损耗大、效率低。又因空调机组电气部件数量偏多，空调控制协同性差。近些年逐渐出现一些新的辅助供电技术，如文献2 中对高、中、低压3直流母线供电系统进行研究，将直流辅助变流器挂接到高压母线上，输出中压直流电至中压母线，将变频空调、充电机及其他中技术装备城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究风逆变电源模块。DC1500V母线充电机变器辅助电源装置AC380V母线其他空调紧急通风逆变器1蓄电池压设备等挂接在中压母线上，充电机输出低压直流电至低压母线为蓄电池和低压设备供电。文献3 着重介绍为下一代城轨车辆设计的高频辅助变流系统。文献4、文献5 分别提出基于中高频变流的辅助电源及变频空调直流供电方案，分析其效率提升和减重优势等。文献6介绍了DC750V直接供电的变频空调电源技术及其轻量化研究。文献7 则介绍了DC1500V直进型变频空调的技术方案及其在轨道车辆的应用情况。基于以上现状，利用变频空调适合直流供电的特点，采用中高频变流技术，在城轨车辆上研究辅助电源与空调电气相融合的新型辅助供电技术，以提高辅助供电效率、降低设备重量。同时研究变频空调的综合电源与控制技术，以简化电源拓扑，实现变频空调的一体化智能控制。2直流辅助供电系统架构基于直流辅助供电系统的变频空调综合电源与控制方案主要应用2 种新技术，分别为中高频变流技术、变频空调综合电源与控制技术。中高频变流技术主要应用于直流降压环节，具体表现为直流变换器（D C-D C）模块采用中高频和软开关控制技术，降低绝缘栅双极型晶体管（IGBT)的开关损耗，提高效率；高频变压器替代工频变压器，降低重量、提高功率密度。变频空调综合电源与控制技术通过应用变频空调综合电源装置实现，通过应用2 级一拖二（多）供电和控制，即1个综合电源装置控制2 台空调机组，1个变频器控制2 台压缩机/所有通风机或冷凝风机。同时，综合电源装置还集成紧急通36MMODERNURBANTRANSIT2/2024现代城市轨道交通根据弓网高压转直流中压DC-DC模块的设计位置不同，系其他其他空调3空调中压紧急通风2负载DC110V母线低压负载低压负载图1传统交流辅助供电系统（1/2 列）充电机DC-DC电源综合电源装置其他空调空调中压12负载DC110V母线蓄电池低压负载图2 集中降压系统拓扑（1/2 列）空调5中压紧急通风逆变器4负载高压电，输出中压DC600V及低压DC110V直流电，容量分别为2 0 0 kW及30 kW（精确输出容量需根据具体需求计算，下同)。2 台装置的DC600V并网汇入贯通全列的中压直流母线，并在各车分线接人综合电源装置。2路DC110V并网汇人低压直流母线，为蓄电池充电以及低压设备供电，同时为综合电源装置的控制电路、紧急通风逆变电源模块供电。每辆车配置1台综合电源装置，输人为DC600V及DC110V，输出为AC380V及多路变频变压（VVVF）的交流电，实现本车交流负载及2 台空调机组的供电和控制。综合电源装置可安装于车顶以便与空调机组电气连接。为提高空压机等设备的供电可靠性，可将AC380V设计为临车互备模式。集中降压架构如图2 所示。分散降压架构采用分散变流的设计思路，DC1500V电由高压母线直接输送到各车包含DC-DC模块的综合电源装置，经降压、变流后给本车空调及交流设备供DC1500V母线中高频电源装置DC600V母线综合电源装置其他空调空调4中压负载3低压负载空调6逆变器低压负载成3母线传输方式，分别为高压直流母线、中压直流母线和低压直流母线。列车设置2 台中高频直流电源装置，输入DC1500V统架构可以分为集中中压负载式和分散式2 种形式。集中降压架构由中高频直流电源装置将DC1500V转换为DC600V、D C 110 V,形综合电源装置空调空调其他中压56负载低压负载城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究技术装备电。列车单独设置2 台充电机输出DC110V实现低压设备供电。分散降压架构如图3所示。直流辅助供电系统应对各母线回路进行短路保护（如利用断路器、熔断器）、绝缘监测保护（如差分电流法)，各电源设备设计过、欠电压，过电流、短路保护等。以集中降压架构的DC600V回路绝缘监测保护为例，在中高频直流电源装置内的DC600V正负线之间设置中性点接地保护电路以及电阻电容（RC）接地电路，利用中性点接地电压法检测DC600V母线对地电压大小，负责中高频直流电源装置和DC600V母线的绝缘检测和保护。在综合电源装置的DC600V输入端设置差分电流传感器检测绝缘漏电电流，负责本电源装置的DC600V绝缘检测和保护。中高频直流电源装置的输出接触器、综合电源装置的输入接触器将DC600V回路分为3段，配合2 级绝缘检测设定的保护动作值互相配合，形成分级、分段保护。上述中高频电源装置主要包含DC-DC模块、充电机模块，该方面已有较多研究应用和相关介绍，下面主要对体现系统融合的综合电源装置进行阐述。3丝综合电源装置3.1综合电源装置的电气设计在上述2 种架构中，集中降压方式的综合电源装置不包含DC-DC模块，输人DC600V和DC110V为变频模块、逆变模块等供电。整个装置包含4个由DC600V供电的变频模块，其中2 个分别以一拖二方式给压缩机供电、1个给所有通风机供电、1个给所有冷凝风机供电。装置中还包含1个由DC600V供电的逆变模块（输出AC380V电源）和1个由DC110V供电的直流升压模块，直流升压模块与变频模块3组成紧急通风逆变电源。装置通过1个主控模块控制各变频模块、逆变模块、升压模块协同工作，同时控制本车2 台空调机组的运行。分散降压方式的综合电源装置则包含DC-DC模块，由DC1500V和DC110V供电。DC1500V输人后首先经过DC-DC模块降压到DC600V，然后给所有变频模块、逆变模块等供电。综合电源装置的电气组成如图4所示，包含DC-DC模块的综合电源装置主电路如图5所示。DC1500V、D C 110 V 输人电路主要包含保护、滤波、预充电控制电路。DC-DC模块采用降压式变换电路（BU C K）级联全桥谐振变换器（LLC）拓扑结构，设计容量90 kW。BU C K 将DC1500V降压稳定至DC900V左右以降低后级电路开关器件IGBT的电压应力，以便选择低耐压器件降低成本。后级LLC应用中高频和软开关技术以提高转换效率。升压模块通过开关直流升压电路（Bo0ost）拾升DC110V电压至DC600V，设计容量4kW。在正常供电和紧急通风不同工况时，通过KM7和KM14的切换控制变频模块3的输人电源。变频模块为传统三相全桥逆变电路，输出的VVVF交流电经接触器控制后分别给空调压缩机、通风机、冷凝风机等供电。其中变频模块1、变频模块2 容量为2 5kVA，变频模块3、变频模块4为8 kVA。逆变模块为三相全桥逆变电路，在输出端设置LC滤波电路提升输出的AC380V电能质量。设置输出接触器（KM15）在出现故障时进行隔离。逆变模块设计容量为30 kVA，且具有较DC1500V母线综合电源装置综合电源装置充电机（包含DC-DC）其他空调空调中压一2负载DCI10V母线蓄电池低压负载图3分散降压系统拓扑（1/2 列）DC600V变频模块1DC1500VIDC600VDC1OV通讯综合电源装置（包含DC-DC)（包含DC-DC）其他空调空调4中压负载3低压负载DC-DC变频模块2DC1500V变频模块3变频模块4升压模块逆频模块主控模块图4综合电源装置电气组成空调5低压负载空调机组1压缩机空调机组2压缩机空调机组1、2的所有通风机空调机组1、2的所有冷凝风机AC380V控制输出信息采集空调其他中压6负载现代城市轨道交通2/2024MODERNURBANTRANSIT37技术装备城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究F1DC1500V+TV1DC1500V-DC-DC模块IGBT1本D1C5KM12KM13TA22L3mD4DC110V+C9R8R6鸟EMIC11IGBT4TTV3C10TR9DC110V-注：C为电容：D为二极管；EMI为滤波器：F等为熔断器：KM为接触器：L为电感；R为电阻：RV为压敏电阻：TA为电流传感器：TV为电压传感器；Tr为变压器。强的过载能力。对于配置单冷型空调+客室电加热器的列车，将变频模块1、变频模块2 的输出再并联1路与压缩机接触器互斥的接触器，由控制器软件控制给压缩机或电加热器供电。各功能单元进行模块化设计，在不同车型应用功能有差异时，能以搭积木的方式进行组合集成。综合电源装置的外形尺寸可与空调机组同宽、同高，在长度方向上延伸以利于车体美观。3.2综合电源装置的控制综合电源装置的控制由主控模块完成，其功能主要包括3部分：一是与列车网络通信进行信息交互；二是监控各电源模块；三是实现本车2台变频空调的综合控制。主控模块通过控KM1KM2R1L2IGBT2 IGBT3FiCr1Tr1KM14图5含DC-DC模块的综合电源装置主电路正常/紧急上电控制通风模式变流控制切换控制DC-DC模块开压模块控制器控制器主控模块环境信息采集：车外温度列车网络车内温度TA1L1RV1F4变频模块1c2 R2DC-DC模块C3卡口 R3D2D3大A-AR10上电控制变流控制控制：电子膨胀阀系统高压压力四通阀系统低压压力新风门蒸发器盘管温度图6 综合电源装置控制框图KM3用用F5KM5变频模块2A-AC7OR6R5C6C8R7F6IGBT5IGBT6IGBT7FTL4C12制器局域网络（CAN）或以太网等通信方式接收列车网络指令（空调设定模式、AC380V临车互备指令等），并回传设备状态信息。主控模块通过内部CAN控制各模块的工作，实现模块间的协同配合，同时采集车厢环境信息、空调状态信息，并控制空调各部件按设定模式工作，并直接控制正常/紧急通风的切换。包含DC-DC模块的综合电源装置控制框图如图6 所示。3.2.1电源模块的控制在集中降压方式中，综合电源装置由主控模块检接触器控制接触器控制变频控制变频控制变频模块1变频模块2控制器控制器空调机组！采集：丰压缩机1丰压缩机2压缩机3三压缩机4KM6KM8用用变频F2模块3TV2KM7F3通风机1通风机2丰通风机3KM9三三通风机4KM10三冷凝风机1冷凝风机2变频模块4冷凝风机3KM11冷凝风机4TA3TA4KM15EMI王AC380VTV4接触器控制变频控制变频模块3控制器空调机组2控制：1采集：电子膨胀阀系统高压压力四通阀系统低压压力新风门蒸发器盘管温度接触器控制变频控制变频模块4控制器38MODERNURBANTRANSIT2/2024现代城市轨道交通城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究技术装备测DC600V电压并控制上电过程。分散降压方式则由DC-DC模块检测DC1500V电压并控制上电过程，同时通过内部CAN向主控模块传送上电情况、自身工作状态及故障情况。若DC600V输入正常或DC-DC模块工作正常，主控模块控制变频模块、逆变模块等工作，实现空调控制及AC380V交流电源输出功能。若DC-DC模块故障，则停止本车的空调及AC380V输出，由主控模块向列车网络发送故障信息，并请求启用AC380V临车互备扩展供电。AC380V逆变模块在检测到内部DC600V母线电压正常后开始工作，并根据负载变化情况自主调整工作状态，使输出的AC380V特性符合相关电能指标要求。逆变模块通过内部CAN向主控模块传送自身工作状态及故障情况。若自身故障，逆变模块则切断输出接触器，由主控模块向列车网络发送信息请求临车互备扩展供电。升压模块的启停受主控模块控制。列车正常供电时，主控模块通过内部CAN控制升压模块停止工作。列车异常断电需要紧急通风时，主控模块控制KM7断开、KM14闭合，升压模块启动工作，同时主控模块控制变频模块3按照紧急通风的要求输出相应电压/频率(V/F）特性的交流电。主控模块根据空调设定模式，通过内部CAN控制各变频模块的启停、输出电压及频率，以及输出接触器的通断。以包含DC-DC模块的综合电源装置为例，各模块控制流程如图7 所示。3.2.2变频空调的控制主控模块承担空调控制器的作用，负责采集车厢内外温度、湿度等环境信息和空调换热系统状态信息（温度、压力）等，并根据列车网络发来的控制指令（启停、模式、目标温度等）控制空调机组运行。空调综合控制方案根据系统多输人、多输出的特点，设计1种多输人多输出（MIMO）结构的串联型控制算法及控制逻辑，控制器1根据指令与车厢环境负荷计算本车换热需求、通风需求、新风需求等；控制器2 根据各需求输人并结合换热系统的实时工作状态情况，计算、分配空调压缩机及风机的运行频率、阀的开度等。MIMO串联控制如图8 所示。控制器根据车内温度与目标温度的温差、相对湿度，以及温湿度变化趋势计算制冷/制热换热量需求，然后结合换热系统压力和温度参数、压缩机自身状态，计算并分配各压缩机的目标频率。控制器还根据换热量、载客量、CO2浓度、车外温度等信息计算通风量（通风机频率）、新风量（新风阀开度）及回风量（回风阀开度），以进行智能通风控制：根据换热系统冷凝器温度计算冷凝风机的目标频率；根据各自所在换热系统的蒸发、冷凝温度计算电子膨胀阀的目标开度。若要更进一步延伸功能，可以利用空调全变频运行的特点，结合车速实施分时主动降噪控制、结合车厢湿度实现恒温除湿功能等。亦可采集综合电源装置、空调机组的信息实现健康诊断和故障预判功能，并上传数据中心为智能运维提供数据支撑0 由于采用一拖多控制方式，在控制方面有其自身特点。方案中的压缩机变频器为一拖二方式，当2 个压缩机计算频率不一致时，按以下原则进行控制：计算的较开始DCI1OV输人正常否是否紧急通风报故障否DC1500V输人正常是工是DC-DC模块正常DC-DC模块启动工作变频模块正常是变频模块启动空调运行控制1是文文逆频模块正常是逆频模块报故障启动工作工结束图7 综合电源控制流程图是开压模块正常是文变频模块3正常是升压模块、变频模块3启动工文作，紧报故障，请求急通风扩展供电控制报故障，请求扩展供电现代城市轨道交通212024MODERNURBANTRANSIT39技术装备城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究CcO2预设二氧化碳浓度范围车外温度载客量设定模式设定温度工，预设湿T度范围RH,注：Cco,为车内二氧化碳的浓度；Ts为设定温度：T为车内温度；RH,为车内湿度。高频率记为frun_h；较低频率记为frun1。当2 个压缩机同时以runl运行时的空调制冷热能力大于只有1个压缩机以frun_h运行的空调制冷/热能力时，系统就控制2 个压缩机以较低频率frun同时运行。相反的，当只有1个压缩机以funh运行的空调制冷热能力更大时，就控制计算频率为frun的压缩机停止，计算频率为Frunh的压缩机运行。更进一步，还可以在frun_h基础上进一步调整运行频率，补充1个压缩机停机造成的制冷热能力损失。以上控制方式可扩展应用到普遍的多压缩机协同运行系统。当系统中出现某个或几个压缩机故障停机或运行频率受限时，正常压缩机的运行频率在所算频率的基础上主动进行算法调整，即时补充因故障保护而损失的换热能力，减小车厢温度波动。频率调整公式如下：frun_adj=(l+a)xfrun+axPo-b式（1）中，frun_aj为调整后的频率；run为原计算频率；a是与故障压缩机数量相关的系数；b为压缩机频率与输出能力之间的系数；P。为压缩机输出能力的常数。其中a的计算方法如下：m+E/,xix(fum-f im)+frma=N-m-n式（2）中，N为压缩机总数；m为故障停机的压缩机个数；n为运行频率受限的压缩机个数；0 x,n，xi+x2+xj=n；f i m _为第i个运行频率受限压缩机的运行频率，且fim/低压母线V空调其他2中压负载4彭敏，肖晓.城轨车辆辅助供电系统节能方案研究.现代城市轨道交通,2 0 2 0(0 5)：41-44.PENG Min,XIAO Xiao.Study on energy saving solutionsof auxiliary power supply system for urban railvehiclesJJ.Modern Urban Transit,2020(05):41-44.5曹虎，董凯，孙从君，等。节能技术在城市轨道交通车辆牵引传动系统中的应用J.现代城市轨道交通，蓄电池低压负线2019(09):36-42.CAO Hu,DONG Kai,SUN Congjun,et al.Applicationof energy-saving technology in traction transmission现代城市轨道交通2/2 0 2 4MODERNURBANTRANSIT41技术装备城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究system of urban rail transit vehiclesJ.Modern UrbanTransit,2019(09):36-42.6周卫，朱俊杰，龚固丰，等.DC750V地铁车辆直供式变频空调电源的轻量化研究 .铁道科学与工程学报,2 0 19,16(0 7):18 0 0-18 0 9.ZHOU Wei,ZHU Junjie,GONG Gufeng,et al.Lightweightresearch on DC750V metro vehicle direct supply inverter airconditioner power supplyJ.Journal of Railway Scienceand Engineering,2019,16(07):1800-1809.7李宝泉，张显辉，岳小鹤，等.DC1500V直进变频空调在城市轨道交通车辆上的应用J.城市轨道交通研究,2 0 19,2 2(0 8):158-16 1.LI Baoquan,ZHANG Xianhui,YUE Xiaohe,et al.Application of DC1500V direct frequency conversion airconditioning in urban rail transit vehiclesJ.Urban MassTransit,2019,22(08):158-161.8】于江山，何晔.中高频辅助变流器在城市轨道交通的应用分析J.电力机车与城轨车辆，2 0 2 1,44(0 6)：7 7-8 2.YU Jiangshan,HE Ye.Application analysis of mediumand high frequency auxiliary power converters in urbanrail transitJ.Electric Locomotives&Mass TransitVehicles,2021,44(06):77-82.9傅亚林，徐锋，张斌，等.以碳化硅功率模块及永磁电机为特征的新一代牵引系统研究.现代城市轨道交通,2 0 19(11):33-38.FU Yalin,XU Feng,ZHANG Bin,et al.Research on thenew generation traction system characterized by siliconcarbidepower module and permanent magnet motorJ.Modern Urban Transit,2019(11):33-38.10康伟，崔军胜，王绅宇，等.轨道交通车辆空调系统智能控制与大数据应用J.城市轨道交通研究，2 0 2 0,23(04):134-136.KANG Wei,CUI Junsheng,WANG Shenyu,et al.Intelligent control of railway vehicle air-conditioningsystem and big data applicationJ.Urban Mass Transit,2020,23(04):134-136.11 OCKLENBURG.M.A,DOHMEN.M,WU.X.Q,etal.Next generation DC-DC converters for auxiliarypower supplies with SIC MOSFETsCJ/2018 IEEEInternational Conference on Electrical Systems for42MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通Aircraft,Railway,Ship Propulsion and Road Vehicles&International Transportation Electrification Conference(ESARS-ITEC).IEEE,2018:1-6.12吴彩秀，孙善锋，庄舜雄地铁列车蓄电池运维情况研究与展望.现代城市轨道交通,2 0 2 2(S2):48-51.WU Caixiu,SUN Shanfeng,ZHUANG Shunxiong.Research and prospect on operation and maintenanceof battery for metro trainsJj.Modern Urban Transit,2022(S2):48-51.收稿日期2 0 2 3-0 7-2 8责任编辑安小璟Research on the comprehensive power supply and controlscheme of inverter air conditioner for the DC auxiliarypower supplies of urban rail transit vehiclesLV Yanzong,CAO Hu,BI Jingbin(CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.,Ltd.,Qingdao Shandong 266031,China)Abstract:The current auxiliary power supply for urban railtransit vehicles predominantly relies on the power frequencyAC system,providing AC380 V to power equipment such asinverter air conditioners.However,the electrical control of airconditioners has not been uniformly considered or designed incoordination with the auxiliary power supply equipment.Thishas led to inefficiencies with repeated power supply shifts andlow power supply efficiency.In response,this study analyzesexisting auxiliary power supply technology and inverterair conditioner electrical control technology.It proposes acomprehensive power supply and control scheme utilizingDC architecture for both the auxiliary power supply systemand inverter air conditioners.This scheme leverages medium-and high-frequency converter technology,as well as recent advancements in inverter air conditioner comprehensive powersupply and control technology.The detailed design ideas forthe two system architectures,the electrical composition,andthe control scheme of the comprehensive power supply deviceare outlined.The study also analyzes the advantages of thisscheme,including improved power supply efficiency,reducedcomponent count,enhanced air conditioner collaborativecontrol,and improved ride comfort.Meanwhile,the technicaldifficulties associated with the solution are identified.Finally,this study outlines the prospects for the technological andfunctional improvements of the proposed solution.Keywords:urban rail transit vehicle,inverter air conditioner,DCauxiliary power supply,comprehensive power supply and control