光伏发电系统接入城市轨道交通供电系统模式研究 Grid Modes of PV ...
张帝
摘 要：城轨车辆的运行，需借助电力资系统而实现。建立车辆辅助供电系统交叉并网供电模式，有助于提高供电的连续性及稳定性。基于此，本文简要介绍了城轨车辆辅助供电系统的类型，并对系统的负载及供电需求进行了分析。重点从并网模式的设备配置、控制方式、参数设计、整流器与逆变器的控制四方面，对该模式的实现方案进行了总结，仅供相关人员参考。
關键词：城轨车辆；辅助供电系统；交叉并网供电模式
中图分类号：U231.8 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0051-02
随着城市轨道交通客流量的不断加大，交通领域对车辆可靠性的要求逐渐提升。电力能源，是城市轨道车辆运行所需的主要能源。根据供电系统及供电模式的不同，电力能源的供应效果同样不同。实践发现，将辅助电路AC 380V以及DC 110V，应用到城轨车辆辅助供电交叉并网供电模式中，可有效提高供电的稳定性。因此，有必要对上述模式的实现方式加以研究。
1 城轨车辆辅助供电系统的供电模式
城轨车辆辅助供电系统的供电模式，包括交叉供电、扩展供电，以及并网供电三种[1]。不同模式的特点及实现方式如下：（1）交叉供电：该供电模式下，车辆中，每个辅助变流器，均需单独对某一负载进行供电。此时，如变流器出现故障，负载的功能将无法实现，车辆运行的稳定性，同样会有所下降。（2）扩展供电：该供电模式下，车辆每个辅助变流器，均需对相应单元的中压负载进行供电。采用上述方式供电，如变流器出现故障，隔离故障逆变器，会立即将供电接触器进行扩展。进而确保故障范围内的负载，能够继续稳定的运行。（3）并网供电：该供电模式下，城轨车辆中，辅助变流器均需由母线供电。当变流器出现故障后，将其自供电系统中断开，负载则仍能够稳定的运行。通过对三种供电模式的对比及分析发现，将交叉并网供电模式，应用到城轨车辆的辅助供电系统中，将能够更大程度的满足车辆的运行需求。
2 城轨车辆辅助供电系统的负载与供电需求
城轨车辆辅助供电系统，对负载容量、电源容量，以及负载类别的需求如下：
2.1 负载容量需求
城轨车辆辅助供电系统对负载容量的需求，与其电机容量需求存在一定的联系[2]。在系统无故障的前提下，电机容量的计算公式如下：
P=P1×Q×K/（102×3600×9.8）/φ/φ
上述公式中，P代表电机的容量，P1代表全压（通常为2000Pa），φ代表全压效率（通常为0.7），K代表容量系数（可取值为1.2），Q代表风量。车辆运行过程中，如逆变器同时运行，电机的供电，将产生一定的损耗。计算系统的负载需求时，应充分考虑到上述问题。本课题所选的车辆，空压机排气量，为1.5m3/min，压缩指数为1.4，排气量转换，为1.667kPa/s。结合上述参数及公式，既可计算出辅助供电系统的负载容量需求。
2.2 电源容量计算
本课题所选车辆为火车，负载供电电压，以三相电压为主。车辆的负载类型较多，电机、逆变器、油泵、通风机等，均属于重要负载。以主逆变器为例，该元件的功率为8kW，负载系数为1。通过对该元件有功功率的观察发现，根据季节的不同，元件的功率参数无显著差异，功率因数均为9.4。但如考虑到所有元件的负载及容量，冬季与夏季，辅助供电系统的电源容量需求，则有所差异。假设逆变器的效率，为0.96。则系统冬季的电源需求，为80.6kVA，夏季，系统的电源需求，为82.7kVA。按照上述需求，确定车辆辅助供电系统的负载既可。
2.3 负载类别设置
不同车辆的安全等级不同，因此，车辆的负载，同样应有所不同。一般情况下，如DC 110V、蓄电池的供电不允许停电，则可将车辆的负载，划分为“控制系统”、“故障系统”两种。如在同样的条件下，供电允许暂停。则可将车辆的负载，分为“照明灯具”、“游客信息系统”等部分。部分乘客出行，常携带小功率的电器（如：手机、平板电脑）。此时，供电系统应与AC 220V/50Hz为主，以满足乘客的需求。辅助供电系统交叉并网供电模式设计过程中，应借助上述分类设置模式，对负载进行分类，以针对性的满足不同负载的不同需求。
3 城轨车辆辅助供电系统交叉并网供电模式的实现
为提高城轨车辆供电系统供电的稳定性，有关领域应采取以下措施，使交叉并网供电模式得以实现：
3.1 交叉并网供电模式设备配置
为满足交叉并网模式下，车辆各负载的运行需求。本课题将该模式下的设备，分为了负载、辅助变流器、高压电气箱三种。
本系统所设计的供电模式设备配置方式下，共包括负载4个、辅助变流器4个，高压电气箱1个[3]。其中，2个负载，需直接与4个辅助变流器相互连接。而另外2个负载，则需与中压母线接触器相互连接。经中压母线，实现与辅助变流器的连接。辅助变流器，需经辅助母线，与各个负载相互连接。上述设备配置方案，充分整合了交叉供电模式，与并网供电模式。使得两者的优势，得到了共同的体现。当辅助变流器出现故障后，中压母线接触器，可代替其发挥作用，确保负载仍能够得到供电，确保其能够稳定、安全的运行。
3.2 交叉并网供电模式控制方式
3.2.1 正常运行时的控制方式
当车辆辅助供电系统无故障，且能够正常运行时，辅助变流器对负载的控制方式如下：（1）将车辆激活，启动网络，对变流器进行检测。如发现某变流器的网压信号，在DC 900V一上。则表明该变流器，处于待运行状态。此时，将中压母线接触器闭合既可。（2）当车辆激活后，辅助供电系统，需在收到“辅逆正常”的信号后，方可启动网络。反之，辅助变流器则无法启动。（3）当TCMS收到系统所提供的反馈信号后，可立即停止运行[4]。此时，其余变流器，则可相互沟通，形成一个网络，确保供电的过程能够连续进行。需注意的是，当闭合指令发出后，继电器的线圈，会随之作出动作。进而作用于开关，使其开启或闭合。因此，为确保辅助变流器能够对负载进行控制，确保开关性能无异常是关键。
3.2.2 故障运行时的控制方式
城轨车辆辅助供电系统使用过程中，常见的故障类型较多。其中，通讯故障、网络故障、短路，均为较为严重的故障。以通信故障为例，当该故障发生后，辅助变流器的运行，必然会受到阻碍。此时，为确保供电能够连续进行。系统网络，应默认辅助变流器损失。在此基础上，将其负载减少。以确保负载能够被分配给其余辅助变流器，使负载能够正常运行。再如网络故障，车辆网络故障发生后，运行将无法进行。此时，需通过紧急牵引的方式，作好故障准备。紧急牵引期间，车辆会经中压母线，将信号传递给接触器箱。进而使辅助变流器，能够被隔离在供电系统之外，使其能够在隔离状态下运行。
3.3 供电系统的参数设计
为确保系统能够稳定运行，确保电压能够连续供应，保证整流装置能够灵活使用是关键。当网压为25kV时，将额定电压，设置为AC 400V较为适宜。当网压为19kV-29kV時，将额定电压，设置为AC 304V-AC 464V较为适宜。上述设置方式，能够有效满足城轨车辆辅助供电系统的运行，对电力资源的需求。整流装置，为城轨车辆辅助供电系统的重要组成部分，该装置的输出功率，一般为逆变器以及负载的容量之和。考虑到供电系统的供电容量，受季节的影响较大。因此，参数计算过程中，应计算出不同季节负载，以及绕组的容量，方可得出供电系统整流装置的最终容量。
3.4 系统整流器及逆变器
3.4.1 整流器控制方案
城轨车辆辅助供电系统中应用的整流器，以PWM整流器为主。为确保整流器能够稳定运行，对其电压、PWM波以及电流进行控制是关键。以电流的控制为例，电流控制的关键，在于对相位以及幅值进行控制。对此，有关人员可将PWM整流器的输出电压，及其标准电压进行对比。如两者之间存在差值，则需将差值，输入至PI调节器当中。并根据PI调节器所显示的正弦波以及余弦波信号，对电流进行优化控制，提高系统运行的稳定性。
3.4.2 逆变器控制方案
城轨车辆辅助供电系统中，逆变器所使用的PWM技术，与整流器技术恰恰相反。对于逆变器而言，其元件的开通与关闭，均需在交流电的控制下实现。为避免谐波的存在，对逆变器的性能造成影响。建议采用滤波器，将谐波去除，以增强逆变器的性能。电压反馈控制，为逆变器控制的主要方法之一。对此，有关人员可将反馈电压，与正弦调制信号进行对比。进而对电压波形进行控制，提高系统电压的稳定性。
3.5 系统设计效果
为判断上述设计方式，是否能够达到提高城轨车辆辅助供电系统供电稳定性的目的。本课题采用仿真实验的方式，对系统的运行情况进行了观察。本文所用仿真软件，以multisim软件为主。通过对仿真结果的观察发现，将交叉并网供电模式，应用到城轨车辆辅助供电系统中后，系统供电的连续性明显提升。当某辅助变流器出现故障后，负载仍可继续运行。表明，交叉并网供电模式的应用，在提高城轨车辆辅助供电系统稳定性方面，取得了良好的效果。
4 结语
综上所述，对城市轨道车辆辅助供电系统交叉并网供电模式的研究，能够为我国交通行业的发展，提供技术参考指标。进而使车辆的供电系统得以完善，使其供电稳定性得以增强。对此，我国交通领域，应视自身的需求，选择辅助系统类型。在此基础上，从“正常”与“故障”两方面入手，建立供电模式控制方式。并积极优化系统参数，合理选择整流器及逆变器，提高城轨车辆供电水平。
参考文献
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