动车组蓄电池供电的应急牵引系统

　　摘要：为解决当动车组在运行过程中，由于弓网故障或高压设备故障导致无法从接触网取电运行时，提出了一种高速动车组蓄电池供电的应急牵引技术方案，介绍了动车组车辆参数及性能要求，阐述了牵引系统组成、牵引制动特性、运行控制方案等。通过开展整车蓄电池应急牵引试验，验证了方案的可行性及性能

　　关键词：高速动车组;蓄电池;牵引变流器;双向充电机;应急牵引

　　1 引言

　　目前国内所有高速动车组的牵引传动完全依赖于接触网供电，在运行过程中，当弓网故障或高压设备故障时，动车组只能等待机车救援至最近的车站清客，一旦发生此类事故，不仅会造成同一线路的动车组运行大范围延误，而且在这段时间内，乘客的安全是无法保障的，极有可能引起不必要的恐慌[1]。如果此时能够利用动车组车载蓄电池实现动车组应急牵引，当发生高压中断情况时，就能保证列车能够平稳运行至下一个供电区间，让列车具备不间断供电能力，将很大程度上提高高速动车组的运用灵活性和可靠性，目前，蓄电池供电的应急牵引技术项目的应用环境多数为地铁车辆出库时或简单调车时，且运行速度通常低于5km/h[2]，动车组蓄电池供电应急牵引较高速运行(大于30km/h)功能在轨道交通行业是个新课题[3]。因此，研究蓄电池紧急牵引功能在动车组上的应用具有很强的实用性以及重要的现实意义。

　　本文针对高速动车组在接触网无电或高压系统故障的紧急工况，提出了基于车载蓄电池的高速列车应急牵引系统方案，对牵引系统拓扑结构、系统设计方案进行分析，同时综合考虑了列车的牵引/制动特性、运行速度/时间要求以及蓄电池能力等限制，提出高速列车自走行方案。

　　2系统概述

　　以国内某型高速动车组为原型进行设计，该型动车组为动力分散式电动车组，牵引系统主要由牵引变压器、牵引变流器、牵引电机等组成，车辆主要技术参数如下：

　　动车组正常情况下由接触网供电，动车组受电弓从AC25kV接触网获取电能，通过牵引变压器降压输出单相交流电供给整流器，整流器将单相交流变换成直流电经中间直流电路输出给逆变器，逆变器输出三相VVVF交流电供给异步牵引电动机。同时变流器内部集成辅助变流器的功能，从牵引辅助变流器中间直流回路取电，将直流电压变换为3相AC 380V/50Hz电压，为动车组辅助负载、双向充电机提供电源，并由双向充电机向蓄电池充电。

　　在动车组高压供电异常时，司机操作发出蓄电池应急牵引信号至牵引变流器、双向充电机、蓄电池，双向充电机从DC110V蓄电池取电，开始向辅助母线提供3相380V电源，通过辅助变压器升压，经辅助逆变器整流后形成中间电压，后经逆变器输出驱动牵引电机工作。

　　2.1 蓄电池方案

　　蓄电池采用了成熟度高、安全性较高、循环寿命长的钛酸锂电池。电池系统由钛酸锂电池模组、电池管理系统(BMS)、充放电回路、牵引回路等组件构成。BMS具备单体电池电压和温度等信号检测、与充电机RS485通讯以及输出接触器控制功能，保证电池不出现过充电和过放电。

　　2.2双向充电机方案

　　双向充电机由3AC/DC+DC/DC、输入LC低通滤波、输出滤波等环节构成，实现能量的双向流动。正向输出DC110V时：将辅助变流器输出的3AC380V交流电作为双向充电机的输入，经过PWM整流、直流滤波得到直流电，再经过双向全桥DC/DC变换输出可控的DC110V直流电。反向逆变输出3AC380V时：电池输出的DC110V直流电作为充电机的输入，在每个功率模块内部经过双向全桥DC/DC变换输出可控的高压直流电，再经过逆变桥、LC低通滤波输出可控的3AV380V交流电。如图2-3所示。

　　3 动车组蓄电池牵引控制策略

　　受限于蓄电池应急牵引方案，双向充电机供电电压及能力，需要对蓄电池应急牵引运行模式进行特殊控制。

　　3.1 动车组蓄电池牵引运行最大速度控制

　　当辅助变流器输入电压为三相AC380V时，经过辅助变压器升压、辅变模块不控整流后，牵引变流器空载运行时牵引变流器中间直流电压理论值计算为：

　　考虑到牵引系统以最大功率输出时的压降、输入三相电压波动等因素，中間直流电压值按1500V考虑。

　　根据三相桥式逆变电路基波电压计算公式，1500V中间直流电压能够输出的最大基波有效值为：

　　在不改变电机特性的情况下，为保证动车组正常高压供电时电机特性不受影响。根据动车组电机的VF特性曲线对牵引变流器最大输出电压进行校核，动车组最高运行速度为86km/h。

　　在蓄电池应急牵引时，当动车组运行速度超过80km/h，牵引变流器停止工作，车辆转为惰行运行。

　　3.2 动车组运行模式控制

　　动车组运行过程可由牵引、恒速、惰行及制动组成，根据列车优化操纵的理论分析，综合考虑线路约束条件，寻找最优惰行点或制动点，最优操纵序列可由以上4种工况组合而成，全力牵引与全力制动工况可减少列车能耗并保证行车效率[7]。

　　动车组蓄电池应急牵引过程中，能量主要消耗在牵引供电、交流辅助负载和直流负载，理论上动车组最低速度运行时可减小牵引能耗，但由于运行时间变长，会导致交流辅助和直流负载的能耗增大，需要选取一个合适的运行方式，使得动车组运行全程能耗最小。能耗计算的主要方法是首先建立以动力学方程为基础的列车运行模型，再利用积分求得运行全程的蓄电池能耗，然后通过数值方法对模型进行结算，最终获得最小能耗速度曲线。

　　动车组运行过程的运动学关系可以描述为：

　　式中的状态变量分别代表动车组行驶时的距离、速度和加速度。

　　建立动车组蓄电池牵引下，最小能耗模型：

　　为了确定最优运行方式，对积分形式的状态方程进行离散化处理，使用梯形求积公式进行求解。

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文章名称： 动车组蓄电池供电的应急牵引系统

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