地铁列车辅助并网供电控制系统研究

摘要：地铁列车辅助系统是列车设备供电的主要来源，辅助系统对于地铁车辆的重要性不言而喻。地铁列车的编组有多种形式，比如4编组，6编组，8编组等等，同时，地铁列车的辅助系统供电方式大致可分为有三类，一类为扩展供电，一类为交叉供电，一类为并网供电，三种供电方式各有其特点。本文主要从4编组列车并网供电的角度来阐述地铁列车辅助供电系统的控制工作流程，探讨并网供电的原理以及并网供电的优势。

关键词：辅助系统;并网供电;启动时序;短路检测

中图分类号：TM56      文献标识码： A

0.引言

对于4编组列车的辅助系统而言，为了保证其功能性和可用性，列车配有2台辅助变流器，2台低压输出电源以及蓄电池充电机。辅助变流器将提供三相交流380V，50Hz（包含中性线）的电源给空调、空气压缩机、照明等交流负载。低压电源将提供110V DC 给蓄电池、所有的控制电路和TCMS系统（列车控制管理系统）等[1]。

辅助系统供电通过共用的直流母线连接在一起，因此当列车通过无电区时辅助系统可以不用降级而保持在正常运行模式。蓄电池充电机从380VAC母线取电，即使1台辅助逆变器正常工作，也可以保证所有蓄电池充电机正常工作[2]。

1.辅助系统中、低压负载分配

并联的辅助逆变器同步向中压母线供电。在整列车上设置一条中压母线，同时辅助负载接触器将辅助逆变器与中压母线之间隔离。正常情况下，辅助负载接触器处于闭合状态，同时所有的辅助变流器处于并联供电模式[3];当辅助变流器或者中压母线发生故障时，辅助负载接触器断开与中压母线的连接。车辆应提供独立的断路器保护中压母线上的所有负载，当其中一个负载发生故障时，断开断路器从而断开负载和中压母线之间的连接，中压母线的供电不会受到影响[4]。

低压负载被分为正常负载和在紧急条件下也需要供电的负载。通常，一个单独的列车线被用来给所有紧急负载供电[5]。

2.车辆辅助系统并网功能

车辆的TCMS系统正常工作时，由TCMS系统负责协调两台辅助变流器的并网启动。车辆进入备用模式（TCMS系统故障）后，辅助变流器按网络地址的顺序依次顺序启动。辅助变流器启动时应尽量避免大的感性负载同时启动。当辅助回路出现短路故障时，辅助变流器将停机并通过辅助负载接触器和中压母线接触器切除故障电路，正常部分的辅助系统正常工作，辅助系统采用这种方法并网供电，不但可以有效地排除故障，还能将其使用率达到最大化，实现辅助系统的最优利用。

2.1 辅助系统并网启动及辅助停机

辅助变流器位于两端头车车下的变流器箱体内，当配置在箱体内的辅助负载接触器接通时，三相380V交流电将供给至车辆辅助系统。中压辅助母线接触器位于中间车的车下，全车共一台，负责在发生母线接地短路时，切除故障电路。

2.2 TCMS正常时的启动时序

第一步自检：车辆上电后中压母线接触器进行自检，自检进入的条件包括：（1）非备用运行模式;（2）列车零速;（3）所有辅助逆变器通讯正常且所有母线激活信号均为低电平;（4）所有零压启动信号均无效。以上条件完全满足后，执行对中压母线接触器进行自检，具体的执行步骤如下：

首先，TCMS系统发出闭合中压母线接触器命令，2s后TCMS系统回采中压母线接触器反馈信号，依据反馈信号判断控制电路的正常与否，同时输出断开中压母线接触器命令，2s后TCMS系统回采中压母线接触器反馈信号，依据反馈信号判断控制电路的正常与否。通过通断测试，确认中压母线接触器的状态。

若控制电路检测不正常（接触器合或分故障），TCMS系统将会在司机室显示屏上进行故障显示，此种情况下TCMS系统取消母线接触器闭合指令，中压母线接触器保持断开。若控制电路检测都正常，TCMS系统发出母线接触器闭合指令。

第二步并网：中压母线接触器自检完成，中压母线接触器闭合后，TCMS系统根据接触器来执行并网控制：

启动前，TCMS系统给所有ACU（辅助控制单元）发送禁止启动指令（disable start）。

启动时，TCMS系统发送启动指令给第一个通讯正常的ACU，将其设置为主ACU（idle）。此ACU控制的变流器将尝试启动，给母线供电;如果TCMS系统在6秒内没有从第一（主）ACU接收确认信号（ACU bus Active）（一般3秒内可完成启动），那么TCMS会发送初始启动命令给第二个通讯正常的ACU，这个ACU将变为主ACU，依次循环类推（1车 -4车 -1车）。如果ACU在限定时间内响应，则按顺序执行。若启动过程中，存在通讯异常的ACU，则将其作为最后启动的从ACU。

当主ACU启动完成以后，主ACU发送ACU已启动信号给TCMS。然后，TCMS将每隔1秒给其余ACU发送启动指令，要求其余ACU逐一开始同步启动，4秒后结束启动，维持当前状态。

“辅助变流器禁止启动”信号只在第一个（主）ACU启动前为低电平，当第一个（主）ACU启动完成以后（idel指令维持6秒时），该信号一直为高电平。（注：默认启动顺序为ACU1，ACU2）。降弓按钮按下后，停止辅助逆变器工作（disable start），直至下一次升弓按钮指令来临。

2.3 备用模式下的辅助变流器并网

当车辆备用模式激活时，中压辅助母线接触器失电去活，中压辅助母线分为两段：即TMC1-MP1为1网段，MP2-TMC2为2网段。这两个网段内的辅助变流器都为主，单独启动，给网段内的辅助母线供电。

3.辅助系统回路的短路检测及零压启动

短路测试工况：

若运行过程中ACM（辅助变流器模块）检测到内部或外部短路，则由TCMS系统对ACM进行短路检测。

如果 ACU 检测到任何短路，给TCMS系统发“内部短路”或“外部短路”的信号。TCMS系统接收到短路信号后，立刻禁止所有逆变器工作，禁止变流器工作信号发出2s后打开中压接触器，再经过2s后发出“短路检测指令”，指令持续时间20s。ACU内部短路检测和外部短路检测过程会在20s内完成，20s内如果TCMS系统收到ACU发出“内部短路”指令，TCMS系统将对应的ACU进行禁止启动，重新闭合母线接触器执行正常的并网时序，并网的同时完成TCMS既定的辅助负载减载功能;如果TCMS收到ACU都发出“外部短路”，TCMS将跳开中压母线接触器，待短路检测完成及故障排除后执行并网。

零压启动工况：

在零压启动过程中，TCMS系统不输出闭合母线接触器命令，且不进行并网控制，此时母线分为两个网段，牵引系统自动完成零压启动。

零压启动结束后，辅助逆变器自动结束零压启动并停止工作。TCMS重新对母线接触器进行自检，并按照正常并网步骤执行，即按照第一步顺序执行控制。

4.TCMS系统故障时车辆辅助系统并网

TCMS系统故障的情况下，分为以下两种情况：

第一种情况，车辆上电后，未接通高压并网前车辆TCMS系统发生故障，这时无论TCMS系统后续是否恢复正常，将不控制中压母线接触器，整个中压母线将分为两个独立的区段，所有辅助变流器按照备用模式下各个网段分别进行并网。

第二种情况，并网成功后，TCMS发生故障，这时并网状态、中压母线接触器状态维持不变，之后如果发生短路，两台辅助变流器停止工作，同时断开中压母线接触器，两台辅助变流器各自进行自检，如果某台内部短路，则禁止启动，如果是外部短路则需要进行排除故障，两台辅助变流器均不能工作。

5.结论

本文阐述了地铁车辆辅助并网控制功能和控制逻辑，分别对正常情况下的辅助并网、辅助回路的短路检测和TCMS系统故障时车辆辅助系统并网逻辑及功能做了相应的分析和研究，并网供电的优势在于可以使地铁车辆不同单元的辅助供电系统同步自动启动工作，同时保证在半组车的辅助系统发生故障时，另外半组车的辅助供电系统可以及时供电，进而保证全列车的辅助供电，这对于地铁车辆的辅助系统功能的实现有着重要的意义。

参考文献

[1]袁利大. 轻轨运行辅助系统的设计与实现[D]，大连：大连理工大学，2011，12-17.

[2]余江. 地铁车辆关键系统可靠性分析及应用研究[D]， 北京：北京交通大学，2012，34-43.

[3]刘毅力. 地铁车辆的模块化[J]，铁道车辆，2003，22-35.

[4]程曙，林伟琴.地铁牵引仿真分析 [J]，城市轨道交通研究，2002，52-59.

[5]谢仁德.城市轨道交通系统型式选择研究 [D]，北京：北京交通大学，2009，23-45.