城市轨道交通辅助供电系统课件

项目城市轨道交通辅助供电系统项目城市轨道交通辅助供电系统1辅助供电系统

辅助供电系统包括辅助逆变器（DC/AC变流器，简称SIV）和低压电源（DC/DC变流器和蓄电池）。辅助逆变供电系统主要是给车辆上AC380V和AC220V交流负载提供电源，负载大部分是泵类（三相异步电机驱动），不需要调速，直接启动，启动冲击电流大。1辅助供电系统的组成辅助供电系统辅助供电系统包括辅助逆变器（DC/AC变2辅助供电系统

早期，辅助逆变技术采用旋转式电动-发电机组供电，接触网为电机提供直流高压，电机带动发电机工作，输出三相交流电为负载供电；使用三相变压器和整流设备变换将输出三相交流电转变为控制用DC110V和DC24V。应用这种供电方式的机组体积大，输出容量小，效率低，电源易受直流发电机组工况变化的影响,输出电压波动大,可靠性差。2辅助逆变技术的发展辅助供电系统早期，辅助逆变技术采用旋转式电动-发电机3辅助供电系统

随着电力电子技术的发展，新的电力电子器件在城轨车辆技术被引用，我国城轨车辆的辅助电源系统均采用了静止逆变供电的方式，通过车辆的受流设备受电，高压直流电经过DC/AC静止逆变转换为低压三相交流电，再通过整流及斩波电源变换输出可用的直流电源。电源变换中采用了变压器隔离形式。这种辅助逆变方案的优点为输出电压品质因数好、电源使用效率高、工作性能安全可靠。其实际应用设计也具备多样性，主要与车辆所使用的高压电源电压类型和电力电子器件发展水平存在直接关系。2辅助逆变技术的发展辅助供电系统随着电力电子技术的发展，新的电力电子器件4辅助供电系统

随着电力电子器件的发展，城轨车辆采用的静止辅助系统经历了晶闸管、大功率晶体管、可关断晶闸管和绝缘栅双极晶体管的发展过程。最初，上海地铁进口的车辆，其辅助系统由电流驱动型可关断晶闸管（gateturn-offthyristor,GTO）构成，如图6-3所示。此设备开关频率低，功率大，耐压值高，安全性好。2辅助逆变技术的发展辅助供电系统随着电力电子器件的发展，城轨车辆采用的静5辅助供电系统

图6-3电流驱动型可关断晶闸管GTO辅助供电系统图6-3电流驱动型可关断晶闸管GTO6辅助供电系统

随着新一代的电力电子器件绝缘栅双极晶体管（见图6-4）容量的提升，电力晶体管进入了淘汰行列。国际上主要生产厂家对中等容量范围的GTO的停产标志着地铁车辆逆变进入了IGBT时代，其具有驱动全控性、脉冲开关频率高、性能好、损耗低、自我保护能力强等优点，推动了电力元件集成化、模块化的发展。近年来，城轨交通供电网电压由低至高（由DC750V升至DC1500V），对IGBT的电压等级也提出了更高的要求。目前，国内新使用的地铁车辆辅助供电设备均采用IGBT电子元件。2辅助逆变技术的发展辅助供电系统随着新一代的电力电子器件绝缘栅双极晶体管7辅助供电系统

图6-4绝缘栅双极晶体管辅助供电系统图6-4绝缘栅双极晶体管8辅助供电系统

随着电力电子器件IGBT的发展，城轨车辆辅助供电系统由过去的单一形式逐渐发展为设计多样化，满足了城轨车辆在不同时期的不同需求。辅助逆变电路结构按逆变器电路原理的不同，分为先斩波（升/降压斩波）后逆变方式和直接逆变方式。从逆变器的电路构造来分，分为双逆变器型和单逆变器型。其中，双逆变器型又分为串联型与并联型。单逆变器型又分为先经升/降压稳压后逆变型和直接逆变型。这些逆变器均采用二电平逆变方式。3辅助逆变电路结构辅助供电系统随着电力电子器件IGBT的发展，城轨车辆9辅助供电系统

①先斩波（升/降压斩波）后逆变方式(DC-DC-AC)。将高压直流电通过斩波器转换为较低/高直流电压，通过逆变装置输出交流电。此电路主要由单管DC/DC斩波器、二点式逆变器、三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。其原理如图6-5所示。3辅助逆变电路结构（1）按逆变器电路原理选型。辅助供电系统①先斩波（升/降压斩波）后逆变方式(DC10辅助供电系统

图6-5先斩波（升/降压斩波）后逆变原理辅助供电系统图6-5先斩波（升/降压斩波）后逆变11辅助供电系统

在DC-DC-AC方式升/降压斩波中，升压斩波的系统应用在网压为DC750V的场合，降压斩波的系统应用在网压为DC1500V的场合。采用升/降压斩波的目的是使逆变器的输入电压稳定，当负载变化或电压波动时，保证斩波器有稳定的输出电压。德国Siemens公司制造的车辆多采用此项技术，如上海1号线、2号线车辆和广州1号线地铁车辆。3辅助逆变电路结构（1）按逆变器电路原理选型。辅助供电系统在DC-DC-AC方式升/降压斩波中，升12辅助供电系统

②直接逆变方式（DC-AC）。这种方式是地铁车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式。它将高压直流电通过逆变设备直接逆变输出交流电，供列车使用。开关器件通常可采用大功率GTO、IGBT或智能功率模块（intelligentpowermodule，IPM）。辅助逆变电源采用直接从受电弓或第三供电轨受流的方式，逆变器按V/F等于常数的控制方式，输出三相脉宽调制电压采用变压器隔离向负载供电。其原理如图6-6所示。3辅助逆变电路结构（1）按逆变器电路原理选型。辅助供电系统②直接逆变方式（DC-AC）。这种方式是13辅助供电系统

图6-6直接逆变原理辅助供电系统图6-6直接逆变原理14辅助供电系统

这种电路的特点是电路结构简单，元器件使用数量少，控制方便，但逆变器电源输出电压容易受电网输入电压波动的影响，功率电子器件（如IGBT）环流时承受的DU/DT较大，特别是在高电压的情况下（DC1500V供电系统再生制动时，网压可达2000V）。Bombardier公司多采用此项技术，应用于长春生产的车辆中。目前，以GTO、IGBT为代表的开关器件的开关频率足以满足在网压波动范围内，用脉冲宽度调变（pulsewidthmodulation，PWM）调制实现逆变器稳定输出，且满负荷运行，因此现在生产的车辆常采用直接逆变的方式。3辅助逆变电路结构（1）按逆变器电路原理选型。辅助供电系统这种电路的特点是电路结构简单，元器件使用15辅助供电系统

①单逆变器型。网压为DC1500V，容量为190kV·A左右的辅助逆变器，一般均使用3300V/400A的IGBT器件。这种结构简单、可靠，逆变器采用PWM调制控制，可使输出电压的谐波含量在限制值以内。而且随着IGBT性能的不断完善，将会进一步简化逆变器主电路，减少使用器件，提高电路的可靠性，降低制造成本，简化调试工作灯。因此，这是目前辅助系统逆变器普遍采用的形式。3辅助逆变电路结构（2）按逆变器的电路构造选型辅助供电系统①单逆变器型。网压为DC1500V，容量16辅助供电系统

②双逆变器型。两台逆变器输出至隔离变压器，隔离变压器或者通过电路叠加，或者通过磁路叠加，然后滤波输出。这种多重逆变电路的优点是逆变器可以用容量较低的IGBT器件。另外，可以通过控制两台逆变器输出电压的相位差，使变压器输出电压的谐波减少，提高基波含量，从而可减少滤波器的体积和质量。双逆变器型电路较为复杂，尤其是组式变压器，用电路叠加的变压器称DY-DZ变压器，其二次绕组较为复杂。用磁路叠加的变压器，其磁路设计较为复杂。鉴于现在IGBT的耐电压水平已足够高，因此目前的产品已基本不再采用这种形式。3辅助逆变电路结构（2）按逆变器的电路构造选型辅助供电系统②双逆变器型。两台逆变器输出至隔离变压器17辅助供电系统

城轨车辆低压电力变换装置为列车提供DC110V的电源，同时给蓄电池浮充电。DC110V电力变换设计就输入电源形式来讲分为直接变换与间接变换。3辅助逆变电路结构（3）低压DC110V电力变换形式辅助供电系统城轨车辆低压电力变换装置为列车提供DC118辅助供电系统

①直接变换。设计独立的直-直变换器，直接接于供电网压（DC1500V，DC750V），通过高频变压器隔离后再整流并滤波得到DC110V电源。广州地铁1号线、2号线车辆采用直接变换形式。②间接变换。使用辅助逆变器提供的低压交流电（AC380V），通过50z隔离降压变压器来实现，再通过整流得到DC110V电源。广州地铁3号线、西安地铁2号线均采用间接变换形式。3辅助逆变电路结构（3）低压DC110V电力变换形式辅助供电系统①直接变换。设计独立的直-直变换器，直接19辅助供电系统

这两种方案，间接变换依赖于静止辅助逆变器，一般是将辅助逆变器输出的AC380V转换成DC110V，其受逆变器故障的影响；直接变换与静止逆变器无关，不受逆变器故障的影响，但因为需要独立的直流电源，成本较高。DC110V电力变换设计就设备电气元件设计方式分为二极管式和晶闸管式。整流器使用二极管三相整流桥方式，输出的电压恒定，电流不可控；使用晶闸管三相可控整流桥方式，对输出电流可以进行调节，便于给蓄电池充电。3辅助逆变电路结构（3）低压DC110V电力变换形式辅助供电系统这两种方案，间接变换依赖于静止辅助逆变器20辅助供电系统

（1）分散供电。地铁车辆每列编组6节车，每节车辆均配备一台静止逆变器，两端Tc车各配备一台DC110V电源装置。广州地铁1号线Siemens设计的车辆即采用分散供电，每节车均配备一台DC/AC，共6台，提供AC380V电源；在两端带有司机室的拖车各配备一台DC/DC,共两台，提供DC110V电源。同时，针对输出容量，也有每3节车配备两台静止逆变器的情况，也作为分散供电方式。目前，这种设计方案多应用在欧系车上，如德国Siemens系列车辆、法国Alston系列车辆等。4辅助供电模式辅助供电系统（1）分散供电。地铁车辆每列编组6节车21辅助供电系统

（2）集中供电。地铁车辆整列车仅采用两套辅助供电装置集中供电，互为冗余，即每3节车配一套静止逆变装置。西安地铁2号线车辆采用这种方式，整列车配备两套SIV静止逆变单元，将其布置在两端Tc车的车底，为整车提供电源。每台辅助逆变器SIV的容量为185kV·A，DC110V的输出容量为18kW，DC24V的输出容量为1kW。两套辅助供电设备互为冗余，当一套发生故障时，余下的一套能承担6辆车的基本负载并保证列车的正常运行。4辅助供电模式辅助供电系统（2）集中供电。地铁车辆整列车仅采用两套22谢谢观看！谢谢观看！23项目城市轨道交通辅助供电系统项目城市轨道交通辅助供电系统24辅助供电系统

辅助供电系统包括辅助逆变器（DC/AC变流器，简称SIV）和低压电源（DC/DC变流器和蓄电池）。辅助逆变供电系统主要是给车辆上AC380V和AC220V交流负载提供电源，负载大部分是泵类（三相异步电机驱动），不需要调速，直接启动，启动冲击电流大。1辅助供电系统的组成辅助供电系统辅助供电系统包括辅助逆变器（DC/AC变25辅助供电系统

早期，辅助逆变技术采用旋转式电动-发电机组供电，接触网为电机提供直流高压，电机带动发电机工作，输出三相交流电为负载供电；使用三相变压器和整流设备变换将输出三相交流电转变为控制用DC110V和DC24V。应用这种供电方式的机组体积大，输出容量小，效率低，电源易受直流发电机组工况变化的影响,输出电压波动大,可靠性差。2辅助逆变技术的发展辅助供电系统早期，辅助逆变技术采用旋转式电动-发电机26辅助供电系统

随着电力电子技术的发展，新的电力电子器件在城轨车辆技术被引用，我国城轨车辆的辅助电源系统均采用了静止逆变供电的方式，通过车辆的受流设备受电，高压直流电经过DC/AC静止逆变转换为低压三相交流电，再通过整流及斩波电源变换输出可用的直流电源。电源变换中采用了变压器隔离形式。这种辅助逆变方案的优点为输出电压品质因数好、电源使用效率高、工作性能安全可靠。其实际应用设计也具备多样性，主要与车辆所使用的高压电源电压类型和电力电子器件发展水平存在直接关系。2辅助逆变技术的发展辅助供电系统随着电力电子技术的发展，新的电力电子器件27辅助供电系统

随着电力电子器件的发展，城轨车辆采用的静止辅助系统经历了晶闸管、大功率晶体管、可关断晶闸管和绝缘栅双极晶体管的发展过程。最初，上海地铁进口的车辆，其辅助系统由电流驱动型可关断晶闸管（gateturn-offthyristor,GTO）构成，如图6-3所示。此设备开关频率低，功率大，耐压值高，安全性好。2辅助逆变技术的发展辅助供电系统随着电力电子器件的发展，城轨车辆采用的静28辅助供电系统

图6-3电流驱动型可关断晶闸管GTO辅助供电系统图6-3电流驱动型可关断晶闸管GTO29辅助供电系统

随着新一代的电力电子器件绝缘栅双极晶体管（见图6-4）容量的提升，电力晶体管进入了淘汰行列。国际上主要生产厂家对中等容量范围的GTO的停产标志着地铁车辆逆变进入了IGBT时代，其具有驱动全控性、脉冲开关频率高、性能好、损耗低、自我保护能力强等优点，推动了电力元件集成化、模块化的发展。近年来，城轨交通供电网电压由低至高（由DC750V升至DC1500V），对IGBT的电压等级也提出了更高的要求。目前，国内新使用的地铁车辆辅助供电设备均采用IGBT电子元件。2辅助逆变技术的发展辅助供电系统随着新一代的电力电子器件绝缘栅双极晶体管30辅助供电系统

图6-4绝缘栅双极晶体管辅助供电系统图6-4绝缘栅双极晶体管31辅助供电系统

随着电力电子器件IGBT的发展，城轨车辆辅助供电系统由过去的单一形式逐渐发展为设计多样化，满足了城轨车辆在不同时期的不同需求。辅助逆变电路结构按逆变器电路原理的不同，分为先斩波（升/降压斩波）后逆变方式和直接逆变方式。从逆变器的电路构造来分，分为双逆变器型和单逆变器型。其中，双逆变器型又分为串联型与并联型。单逆变器型又分为先经升/降压稳压后逆变型和直接逆变型。这些逆变器均采用二电平逆变方式。3辅助逆变电路结构辅助供电系统随着电力电子器件IGBT的发展，城轨车辆32辅助供电系统

①先斩波（升/降压斩波）后逆变方式(DC-DC-AC)。将高压直流电通过斩波器转换为较低/高直流电压，通过逆变装置输出交流电。此电路主要由单管DC/DC斩波器、二点式逆变器、三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。其原理如图6-5所示。3辅助逆变电路结构（1）按逆变器电路原理选型。辅助供电系统①先斩波（升/降压斩波）后逆变方式(DC33辅助供电系统

图6-5先斩波（升/降压斩波）后逆变原理辅助供电系统图6-5先斩波（升/降压斩波）后逆变34辅助供电系统

在DC-DC-AC方式升/降压斩波中，升压斩波的系统应用在网压为DC750V的场合，降压斩波的系统应用在网压为DC1500V的场合。采用升/降压斩波的目的是使逆变器的输入电压稳定，当负载变化或电压波动时，保证斩波器有稳定的输出电压。德国Siemens公司制造的车辆多采用此项技术，如上海1号线、2号线车辆和广州1号线地铁车辆。3辅助逆变电路结构（1）按逆变器电路原理选型。辅助供电系统在DC-DC-AC方式升/降压斩波中，升35辅助供电系统

②直接逆变方式（DC-AC）。这种方式是地铁车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式。它将高压直流电通过逆变设备直接逆变输出交流电，供列车使用。开关器件通常可采用大功率GTO、IGBT或智能功率模块（intelligentpowermodule，IPM）。辅助逆变电源采用直接从受电弓或第三供电轨受流的方式，逆变器按V/F等于常数的控制方式，输出三相脉宽调制电压采用变压器隔离向负载供电。其原理如图6-6所示。3辅助逆变电路结构（1）按逆变器电路原理选型。辅助供电系统②直接逆变方式（DC-AC）。这种方式是36辅助供电系统

图6-6直接逆变原理辅助供电系统图6-6直接逆变原理37辅助供电系统

这种电路的特点是电路结构简单，元器件使用数量少，控制方便，但逆变器电源输出电压容易受电网输入电压波动的影响，功率电子器件（如IGBT）环流时承受的DU/DT较大，特别是在高电压的情况下（DC1500V供电系统再生制动时，网压可达2000V）。Bombardier公司多采用此项技术，应用于长春生产的车辆中。目前，以GTO、IGBT为代表的开关器件的开关频率足以满足在网压波动范围内，用脉冲宽度调变（pulsewidthmodulation，PWM）调制实现逆变器稳定输出，且满负荷运行，因此现在生产的车辆常采用直接逆变的方式。3辅助逆变电路结构（1）按逆变器电路原理选型。辅助供电系统这种电路的特点是电路结构简单，元器件使用38辅助供电系统

①单逆变器型。网压为DC1500V，容量为190kV·A左右的辅助逆变器，一般均使用3300V/400A的IGBT器件。这种结构简单、可靠，逆变器采用PWM调制控制，可使输出电压的谐波含量在限制值以内。而且随着IGBT性能的不断完善，将会进一步简化逆变器主电路，减少使用器件，提高电路的可靠性，降低制造成本，简化调试工作灯。因此，这是目前辅助系统逆变器普遍采用的形式。3辅助逆变电路结构（2）按逆变器的电路构造选型辅助供电系统①单逆变器型。网压为DC1500V，容量39辅助供电系统

②双逆变器型。两台逆变器输出至隔离变压器，隔离变压器或者通过电路叠加，或者通过磁路叠加，然后滤波输出。这种多重逆变电路的优点是逆变器可以用容量较低的IGBT器件。另外，可以通过控制两台逆变器输出电压的相位差，使变压器输出电压的谐波减少，提高基波含量，从而可减少滤波器的体积和质量。双逆变器型电路较为复杂，尤其是组式变压器，用电路叠加的变压器称DY-DZ变压器，其二次绕组较为复杂。用磁路叠加的变压器，其磁路设计较为复杂。鉴于现在IGBT的耐电压水平已足够高，因此目前的产品已基本不再采用这种形式。3辅助逆变电路结构（2）按逆变器的电路构造选型辅助供电系统②双逆变器型。两台逆变器输出至隔离变压器40辅助供电系统

城轨车辆低压电力变换装置为列车提供DC110V的电源，同时给蓄电池浮充电。DC110V电力变换设计就输入电源形式来讲分为直接变换与间接变换。3辅助逆变电路结构（3）低压DC110V电力变换形式辅助供电系统城轨车辆低压电力变换装置为列车提供DC141辅助供电系统

①直接变换。设计独立的直-直变换器，直接接于供电网压（DC1500V，DC750V），通过高频变压器隔离后再整流并滤波得到DC110V电源。广州地铁1号线、2号线车辆采用直接变换形式。②间接变换。使用辅助逆变器提供的低压交流电（AC380V），通过50z隔离降压变压器来实现，再通过整流得到DC110V电源。广州地铁3号线、西安地铁2号线均采用间接变换形式。