摘要：轨道交通车辆空调作为整车的主要负载之一，约占到整个车辆辅助电源供电容量的70%~80%，其节能效果直接影响整车能耗。针对传统变频空调能效低、重量大及存在谐波危害等不足，提出了一种集中直流供电变频空调技术方案，在分析了传统变频空调和高压直进变频空调技术原理的基础上，发现了传统变频空调存在电源无效转换环节及高压直进变频空调采用分布式供电方式效率较低等问题，引出了集中直流供电变频空调系统的工作原理；同时对集中直流供电变频空调进行了系统设计和结构设计，并从系统能源效率、系统重量以及降低电流谐波3个方面进行了设计优化和试验验证。试验结果表明，集中直流供电变频空调系统与传统变频空调系统相比，能效提升了约10%，列车减重约2 t，列车每年节省能耗约16 632 kWh，电流谐波由20%降低到10%以内。

　　关键词：轨道交通车辆；变频空调；效率；集中直流供电变频空调；减重

　　Research and Application of Centralized DC Power Supply Variable Frequency Air Conditioning Technology on Rail Transit Vehicles

　　Wang Zheng1，Zhang Shengwei1，Lai Jiewen2，Gong Huihua1，Liao Zhangqing1

　　(1.CRRC Zhuzhou Locomotive Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412001,China;2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing forVehicle Body,College of Mechanical and Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

　　Abstract:As one of the main loads of the entire vehicle,the air conditioning of rail transit vehicles accounts for approximately 70%to 80%of the auxiliary power supply capacity of the entire vehicle,and its energy-saving effect directly affects the energy consumption of the entire vehicle.A centralized DC powered variable frequency air conditioning technology solution is proposed to address the shortcomings of traditional variable frequency air conditioning,such as low energy efficiency,large weight,and harmonic hazards.Based on the analysis of the principles of traditional variable frequency air conditioning and high-voltage direct input variable frequency air conditioning technology,it is found that traditional variable frequency air conditioning has problems such as ineffective power conversion and low efficiency when using distributed power supply for high-voltage direct input variable frequency air conditioning,Introduced the working principle of the centralized DC power supply variable frequency air conditioning system.At the same time,the system design and structural design of the centralized DC power supply variable frequency air conditioning are carried out,and design optimization and experimental verification are carried out from three aspects:system energy efficiency,system weight,and reducing current harmonics.The test results show that compared with traditional variable frequency air conditioning systems,the centralized DC power supply variable frequency air conditioning system has improved energy efficiency by about 10%,reduces train weight by about 2 t,saves energy consumption of about 16 632 kWh per year,and reduces current harmonics from 20%to less than 10%.

　　Key words:rail transit vehicles;variable frequency air conditioning;efficiency;centralized DC-powered supply variable frequency air conditioning;weight reduction

　　0引言

　　气候变化是人类面临的全球性问题，随着经济的发展，各国碳排放量的增加，温室效应日趋严重，对全球生态系统形成了较大的威胁及挑战。承担大众出行任务主力军的轨道交通车辆，其空调系统是轨道交通车辆辅助电源系统的耗能大户，约占到整个辅助电源供电容量的70%~80%。因此亟须研究开发能效更高的轨道交通空调系统以尽快实现轨道交通车辆领域“双碳”目标，使人们的交通出行更加环保[1]，为推动城市轨道交通行业节能低碳、可持续发展和高质量发展提供技术解决方案[2]。

　　自轨道交通车辆配备空调以来，最先应用于市场的为定频空调技术。其压缩机由车辆辅助电源直接供电，不经过其他设备进行转换或调节。肖峰敏等[3]分析并改进了轨道交通定频空调压缩机控制方法，提升了列车舒适性。白东燕[4]从控制原理方面详尽分析了变频控制相对于定频控制的优势。苏慈等[5]对地铁变频空调和定频空调的节能性和舒适性进行了对比试验研究，结果表明，变频空调不但节能效果好，而且温度控制精度比定频空调高，波动范围小，舒适性好。定频空调技术能源消耗大于变频空调，目前已经逐步退出市场应用。

　　为了降低空调能耗，轨道交通空调行业提出了普通变频空调技术。张永利等[6]研究了轨道车辆变频节能空调的节能机理，并进行了安装测试。Li等[7]研究了一种新型多功能集成通风和空调系统的城市轨道交通车辆，仿真及试验测试均表明所提出的系统能有效减少能源消耗以及降低运营成本。李剑等[8]通过分析轨道交通车辆热负荷特性，提出了一种变频控制策略来提升空调系统的节能性能。Wang[9]提出了一种变频空调控制策略以减少能源消耗，进而开发有效的ACS控制策略。Yu等[10]总结了变频空调系统的设计特点以及影响系统设计的因素，确定了系统的能源效率，通过应用节能空调控制策略，可以降低能耗。刘炬等[11]通过分析安装变频空调的轨道车辆的试验得出，与定频空调系统相比，变频空调系统的温度控制精度高，具有良好的经济效益。然而，上述研究仅局限于普通变频空调技术，普通变频空调的电源总效率较低，车辆需配备辅助电源，整车重量较重，且存在较大的谐波干扰，谐波干扰使变压器温度上升，影响其绝缘能力；还将引起电机附加发热，导致电机的额外温升。

　　随着变频空调技术应用的成熟，采用直进变频空调技术可以减少中间电源转换环节，极大地提升电源利用效率。宋文强等[12]详尽介绍了DC 700 V直进变频空调的工作原理及技术优势。李宝泉等[13]采用DC 1 500 V直进变频空调供电方案来降低空调机组重量和能耗。李玉奎等[14]基于北京市轨道交通应用实际，提出了一种DC 750 V直进变频空调的技术方案以提升电源的利用效率和减轻空调机组的配重。王卫[15]开展了DC 600 V直流变速空调客车系统方案设计研究，优化了整车电能转换环节，在既有车辆上进行了改造并完成了运营考核，达到了减小车辆逆变电源设计容量及降低整车重量的目的。然而，上述高压直进变频空调技术需在变频器前端加直流稳压电源或滤波、电抗及预充电模块，经济性较差，采用高压直进空调时整车重量优势不明显。

　　本文着重针对高压直进变频空调技术中存在的不足，提出了一种集中直流供电变频空调技术方案。首先，介绍了传统变频空调技术的发展，在分析了传统变频空调技术的原理基础上，引出了集中直流供电变频空调系统的工作原理；接着，对集中直流供电变频空调进行了系统设计。从系统能源效率、空调系统重量以及谐波处理能力3个方面进行了试验分析，以求提高变频空调的电源总效率，减轻整车重量，进一步节约列车运营成本。

　　1变频空调原理

　　1.1传统变频空调

　　轨道交通车辆空调系统一般由司机室通风单元、风道、客室空调机组、废排、空调控制盘等组成，其空调系统总图如图1所示。空调机组是空调系统最重要的组成部分，其提供轨道交通车辆车厢内经过滤、冷却或加热后的空气，以提升车厢内的冷暖舒适度。

　　传统的定频空调机组的压缩机由车辆辅助电源直接供电，不经过其他设备进行转换或调节[16]。典型定频空调机组三相交流供电的原理框图如图2所示。

　　变频空调机组，即转速可控型空调机组或变速空调机组，其运行时根据热负荷的大小，压缩机的转速在一定范围内发生变化或连续变化[17-18]。变频空调机组主流的方案是在原定频空调机组的基础上，在压缩机前端加入变频器，实现压缩机变频调节，通风机和冷凝风机仍采用定频方案。典型变频空调机组供电原理如图3所示。此种方案压缩机使用三相AC380V 50 Hz供电。

　　由图3可知，当辅助逆变器DC/AC效率为ηt 1，压缩机变频器内部AC/DC和DC/AC效率分别为ηt2和ηt3，则其总效率ηvariable如式(1)所示。

　　由式(1)可知，电源每经过一次转换，都有会一定的损失，转换次数越多，电源传递的总效率就越低。因此，若要提升电源总效率，有两种途径，其一是减少转换环节，其二是提升转换环节的效率。

　　高压直进变频空调机技术方案即考虑了减少转换环节，即DC 1 500 V高压电不经过车辆辅助逆变器转换或处理，直接供给空调机组，其供电原理如图4所示。

　　由图4可知，当隔离稳压电源DC/DC效率为ηt 1，压缩机变频器内部DC/AC和冷凝风机、通风机DC/AC效率为ηt2，则其总效率ηhigh-direct如式(2)所示。

　　1.2集中直流供电变频空调

　　由于一列车存在多组高压直进变频空调机，该方案总体效率有所提升，仍然存在继续优化的空间。集中直流供电变频空调对前端供电进一步进行了集中，即空调机组均无需车辆辅助逆变器供电，且空调机组各负载变频器的输入电压均为DC 600 V。区别在于高压直进变频空调是高压电(DC 1 500 V)直接接入单台空调机组，属于分布式供电，其供电原理框图如图5所示，而集中直流供电变频空调是高压电经过DC/DC-AC高频变流器降压至DC 600 V后再接入空调机组，每列车共2台DC/DC-AC高频变流器并联冗余进行集中式供电，且此高频变频器集成小容量辅助逆变器，用于给车辆其他辅助设备供电，完全取代了车辆辅助逆变电源，其供电示意图如图6所示，其供电原理如图7所示。

　　由图7可知，当DC/DC-AC高频变流器的DC/DC模块效率为ηt 1，压缩机变频器内部DC/AC和冷凝风机、通风机DC/AC效率为ηt2，则其总效率ηcentralized-DC如式(3)所示。

　　2变频空调设计方案

　　集中直流供电变频空调采用成熟的下送下回送回风形式，每台空调机组采用两套独立的回路，具有较大的制冷量和制热量，能根据载客量、负荷自动调节制冷量和制热量。

　　2.1设计参数

　　集中直流供电变频空调机组，外形尺寸(长×宽×高)为4 200 mm×1 700 mm×300 mm，机组为顶置单元式。集中直流供电变频空调设计参数如表1所示。

　　2.2结构组成

　　集中直流供电变频空调系统方案具有以下特点，其系统方案如图8所示。

　　集中直流供电变频空调系统由两套独立的回路组成，通过四通换阀实现制冷和制热功能的切换。通过采用2台全封闭卧式涡旋压缩机，根据制冷/制热需求实现制冷/制热量无级调节。空调系统中制冷剂采用环保制冷剂R407c。节流装置则采用电子膨胀阀，确保冷媒流量在任何工况下的精确输出。通过压力保护开关和压力传感器等实现系统的智能诊断和保护。

　　集中直流供电变频空调机组为单元式结构，所有必需的部件均安装在不锈钢壳体内。壳体采用优质不锈钢板材经焊接和铆接构成。整个空调机组由1个蒸发室、1个冷凝室和1个压缩机室组成，其内部组成及结构如图9所示。

　　3集中直流供电变频空调优势

　　3.1提升电源总效率

　　现有三相AC 380 V供电变频空调供电是通过车辆辅助电源将DC 1 500 V逆变为AC 380 V交流电提供给空调变频器，空调变频器将交流转换成DC 600 V后再通过调频调压输出变频电源给压缩机，存在无用转换环节，电源效率较低。以三相AC 380 V供电为例，其电源转换及供电原理框图如图10所示，经过与图6的对比可知，集中直流供电变频空调采用2台DC/DC-AC高频变流器并联冗余集中式供电，相较于传统的非高压直进变频空调机组交流减少了DC 1 500 V转换成AC 380 V和AC 380 V转换成DC电源的环节，从而提高了电源总效率。另外，典型变频空调方案，仅压缩机采用变频方案，空调机组的能效比也较低，集中直流供电变频空调的送风机和冷凝风机也采用变频技术，空调机组的效能也有一定的提升。

　　各种变频空调技术的电源总效率对比如表2所示。基于目前现有的电子元器件技术水平，空调机组运行过程中，常规普通变频空调电源总效率约为0.87，如式(4)所示。高压直进变频空调的电源总效率约为0.94，如式(5)所示。传递效率不及集中直流变频空调机组的0.96，如式(6)所示。集中直流供电变频空调，相较于常规普通变频空调，效率提升约10.3%，相较于高压直进变频空调，效率提升约2.1%。

　　3.2降低整车重量

　　为了对比的结果精确，以某6编组A型车为例，单台机组的制冷量为44 kW，并使不同变频空调系统的前置参数相同。不同变频空调系统重量对比如表3所示。从表中可以看出，集中直流供电变频空调系统质量为11 656 kg，高压直进变频空调系统质量为12 155 kg，而普通常规变频空调系统质量为13 735 kg。香港地铁长期运营研究经验表明，车辆空载质量每减少1 t，每年可节电8 000 kWh[19]。集中直流供电变频空调系统质量相较于普通集中直流供电变频空调系统减少了2 079 kg，相当于每年可节约电能16 632 kWh，30年寿命期内可节约电能498 960 kWh；集中直流供电变频空调系统质量相较于高压直进变频空调系统减少了499 kg，相当于每年可节约电能3 992 kWh，30年寿命期内可节电119 760 kWh。这是由于集中直流供电变频空调系统质量相较于普通集中直流供电变频空调相较于传统变频空调因减少了无用转换环节，提高了空调机组的供电电压，降低了供电电流及空调电缆的线径，因此，车辆空调相关的布线减重明显。与此同时，集中直流供电变频空调的通风机前端设有变频器，可实现紧急通风，因此可节省车辆上的紧急通风逆变器，进一步降低了整车质量。

　　3.3降低空调变频器谐波对车辆电源及设备的影响

　　普通常规变频空调系统的变频器，其内部的主电路一般由“交-直-交”组成，外部输入380 V/50 Hz的电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅里叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统[20]。普通常规变频在采取谐波抑制手段的情况下，电流谐波仍高达20%。如图4可知，集中直流供电变频空调由DC/DC-AC高频变流器供电，DC/DC输出直接供给空调机组，DC/AC输出供给车辆上其他设备，供电互相隔离，DC/DC-AC高频变流器到空调机组这个环节无交流电环节，结合空调机组内部采用低谐波变频器，可将空调机组的电流谐波控制在10%以内。因此极大地降低了空调变频器谐波对车辆电源及其他设备的危害及影响。

　　4结束语

　　本文着重针对目前变频空调技术中存在的不足，提出了一种集中直流供电变频空调技术方案。集中直流供电变频空调是高压电经过DC/DC-AC高频变流器降压至DC 600 V后再接入空调机组，每列车共2台DC/DC-AC高频变流器并联冗余进行集中式供电。同时，高频变频器集成小容量辅助逆变器用于给车辆其他辅助设备供电，通过采用成熟的下送下回送回风形式和单元式结构，每台空调机组采用两套独立的回路，可以根据载客量、负荷自动调节制冷量和制热量。通过进行大量的重复试验结果表明，与普通常规变频空调系统和高压直进变频空调系统相比，所提出的集中直流供电变频空调技术方案可以较大地提高变频空调的电源总效率，在减轻空调系统质量的同时进一步地减轻整车质量，节约运营成本，降低空调变频器谐波对车辆电源及其他设备的危害及影响。

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