双源制调车电力机车电气系统＊

马晓宁

（中国南车集团 株洲电力机车有限公司 技术中心，湖南株洲412001）

本文所介绍的双源制调车电力机车则是由25kV交流接触网和车载动力型锂离子电池供电的"双电能"机车，在有接触网区段可以由接触网供电牵引，并给蓄电池充电；在无接触网区段则由动力蓄电池提供动力。目前许多铁路站场和线路都存在有网区段和无网区段，因此这种调车机车有着较好的适用场所。只是由于受机车总重、空间分配、电池性能等条件的影响，蓄电池牵引时的机车功率和持续时间受到限制，需要针对具体线路条件和机车作业工况进行设计。

本文主要介绍双源制调车电力机车的电气系统。

1 机车总体参数

2 机车电路组成

双源制机车电传动系统主要由网侧电路、交流牵引电路、牵引蓄电池系统、直流高压电路和辅助电路组成，其中交流牵引电路包括牵引变压器、牵引变流器和牵引电机，且牵引变流器内部集成了辅助电源逆变器和牵引蓄电池充电机。

在接触网供电时，网侧电路、牵引变压器、牵引变流器和牵引电机构成交—直—交传动系统。牵引工况下，牵引变压器原边绕组经网侧电路得电，4组牵引绕组同时向牵引变流器的4重四象限整流器供电，经过中间直流回路后，向2个牵引逆变器模块、1个牵引蓄电池充电机和1个辅助逆变器模块供电。其中每个牵引逆变器模块向2台牵引电机供电。电制动工况下，再生能量经牵引变压器反馈给电网。

牵引蓄电池供电时，其做为直流电源，经过直流高压电路后与牵引变流器中的中间直流回路、牵引逆变电路和牵引电机构成直—交传动系统，此时网侧电路、牵引变压器绕组和四象限整流器退出运行。牵引工况下，牵引蓄电池电源经过高压电路、中间直流回路后，向2个牵引逆变器模块、1个辅助逆变器模块供电。其中每个牵引逆变器模块向2台牵引电机供电。电制动工况下，再生制动反馈能量由辅机系统和牵引蓄电池吸收；如果电制动力不足，将自动施加空气制动补充。

接触网和牵引蓄电池不能够同时向机车牵引变流器供电。

3 网侧电路

网侧电路由受电弓、真空断路器（HVB）、避雷器、原边电压互感器、原边电流互感器、牵引变压器原边绕组、回流电流互感器和接地回流装置组成。如图1所示。其中受电弓完成电网受流及再生制动时的能量回馈；真空断路器实现网侧电路正常分合及网侧电路的过流、过（欠）压、接地保护以及其他部分电路故障保护功能；避雷器对雷击过电压和操作过电压进行防护；网侧电压电流信号由原边电压、电流互感器检测；牵引变压器原边绕组进行能量传递；接地回流装置完成电流向钢轨、牵引变电所的回流。

4 交流牵引电路

机车的交流牵引电路如图2所示。牵引变压器的4组牵引绕组经过1个牵引变流器柜，实现对机车牵引系统、辅助系统的供电和牵引蓄电池的充电。电路按照功能可以划分为以下几个部分：牵引变压器、牵引变流器和牵引电机等。

图1 网侧电路原理图

图2 交流牵引电路原理图

4.1 牵引变压器

牵引变压器起着接触网供电牵引时的能量传输和电压隔离的作用，其次边有4组牵引绕组，分别向1个牵引变流器柜内的4重四象限整流器提供电能。

牵引变压器内部还包含有1个二次谐振电抗器，与牵引变流器柜内的二次谐振电容串联构成二次谐振电路；并且在牵引蓄电池供电工况下，还做为牵引变流器的输入电抗器。

牵引变压器主要电气参数如表1。

表1 牵引变压器主要电气参数

4.2 牵引变流器

牵引变流器由2个四象限模块（含4重独立的四象限电路）、1个牵引蓄电池充电机、2个牵引逆变器模块、1个辅助逆变器模块和1个共用中间直流回路构成。采用热管散热、强迫风冷。

（1）四象限整流器

接触网供电时，四象限整流器在牵引工况下进行交-直变换，为中间直流电路提供电能；在再生制动工况时，通过中间直流电路进行直—交变换，将电能回馈给电网。四象限整流器采用1.7kV／2 400A的IGBT模块，考虑到输入电流较大及可能出现的均流问题，没有使用2个IGBT模块并联受流的结构，而是采用4个IGBT模块单独受流的结构。

4重四象限整流器电路中，有2个电路前接有预充电电路。所有四象限整流器电路输出端并接在1个中间直流电路上。牵引蓄电池供电时，四象限整流电路退出运行。

（2）中间直流电路

中间直流电路由中间支撑电容、二次滤波电路、短路保护电路和接地检测电路等组成，实现变流器各功能模块间的能量传递、信号检测和电路保护等功能。

在接触网供电模式下，中间直流电压为DC900V；蓄电池供电模式下，中间直流电压的正常波动范围在DC900V～DC600V之间（在低温环境下，起动时，允许短时工作在不低于DC540V电压情况下）。

图2中，点位1对应牵引蓄电池供电时的直流主电路输入，点位2对应预充电电路输入，点位3、4则对应充电输出。

（3）牵引蓄电池充电机

牵引蓄电池充电机采用高频开关电源充电机，集成在牵引变流器内（滤波电抗器置于变流柜外），依据牵引蓄电池组的充电特性，完成对牵引蓄电池组的充电任务。

充电机的主要电气参数如下：

（4）牵引逆变器模块

牵引逆变器采用1.7kV／2 400A的IGBT模块构成的脉宽调制（PWM）逆变器，每个牵引逆变器按照变频变压（VVVF）的方式向同一转向架上的两台牵引电机供电，实现机车的架控运行。牵引逆变器的输出电压为3AC 0～702V，频率为0～130Hz。

（5）辅助逆变器模块

辅助逆变器做为机车辅助系统的电源，集成在牵引变流器内，其输入取自中间直流电路；没有采用牵引变压器内增加辅助绕组的独立式辅助电源的设计方式，这是由双源制机车主电路的结构特点决定的，因为在牵引蓄电池供电模式下，机车不能从接触网取流，牵引变压器将处于无电状态。

辅助逆变器采用恒频恒压（CVCF）的工作模式，额定输出电压3AC440V，50Hz。

（6）直流预充电电路

在变流器的中间直流电路前，还接有直流预充电接触器和电阻（图2中的点位2后的电路）。它们可以完成蓄电池牵引工况下，中间直流电路的预充电任务。

4.3 牵引电机

双源制机车采用的是YQ306型三相异步电动机，电动机根据电压型PWM逆变器供电的特点和调车机车低速、大转矩的特点进行设计，保证在PWM逆变器的整个输出电压、频率范围内电机的脉动转矩、损耗和噪声均满足铁路牵引运用要求。主要电气参数如下：

5 牵引蓄电池供电系统

双源制机车的车载牵引蓄电池供电系统用于机车在无接触网区段或接触网无电时向机车牵引回路供电。系统主要由牵引蓄电池组、电池组管理系统（Battery Manage System）和直流高压电路组成。

5.1 牵引蓄电池组

牵引蓄电池组的电池采用3.2V／100Ah的动力型磷酸铁锂电池，由8个单体电池串联成25.6V／100 Ah的电池模块，做为牵引蓄电池组的基本单元；30个电池模块串联组成768V／100Ah的电池支路，8条电池支路并联构成768V／800Ah的电池组电源，装机能量614.4kWh。整车共有240个电池模块。它们分别安装在四个箱体内。电气原理见图3。

蓄电池组的标称电压取为DC768V，一是与DC750V的直流标称电压接近，且充满电后的最高电压约DC876V，低于该标称电压等级DC900V的最高电压上限，这样容易选取相应电压等级的电气设备，经济性好；二是可以直接向牵引变流器的DC900V直流中间回路供电；三是当升起受电弓后，变流器内的充电机可以利用中间电路稳定的DC900V作为电源，以DC／DC降压斩波的方式向蓄电池组充电；当然，采用尽可能高的电池组电压有利于降低其单体电池的放电倍率，减小载流导体的截面积。

蓄电池组的每条DC768V／100Ah电源支路上串接了支路熔断器、支路电流传感器和接触器，其中的支路电流传感器用于各支路的电流检测，从而获得电池单体的实际充放电倍率；支路熔断器做为各支路电源馈线的过流保护；接触器由蓄电池组管理系统控制，在系统起机或停机时进行配置。

蓄电池组的额定放电电流1 400A，单体电池的放电电流1.75CA。

5.2 直流高压电路

直流高压电路位于牵引蓄电池电源和牵引变流器之间，其任务是完成牵引蓄电池组充放电过程中，能量在牵引蓄电池组和牵引变流器间的双向传输，实现电池组电流电压检测、故障支路隔离、电池组支路间隔离、回路分合控制及过流保护等功能。电气原理见图3（图3中的点位与图2中的各点位相对应）。

牵引蓄电池放电时，电流经过隔离开关、支路接触器、隔离二极管后汇流，再经过主回路熔断器、直流高速断路器（HSCB）、主接触器后输出至输入电抗器（即谐振电抗器）及牵引变流器中间直流回路，然后经牵引逆变器和牵引电机负载、辅助逆变器负载后，返回至牵引蓄电池负极；充电时，变流器内的充电机从图2中的点位3输入，经过高压电路的隔离二极管、支路接触器、手动隔离开关向牵引蓄电池组充电。直流高压电路实现下列功能：

图3 牵引蓄电池组及直流高压电路原理图

（1）电流电压检测

直流回路总电压和总电流的检测，做为显示和蓄电池电源输出过流、欠压保护动作的依据。

（2）隔离功能

机车在运行中，牵引蓄电池放电或充电状态下，如果某条支路的蓄电池出现故障，则支路接触器可以对该支路进行自动隔离，不影响机车运行。隔离开关用于高压柜内设备检修时的电气隔离，断开蓄电池组正负极电源，确保人身安全。二极管可以防止各支路蓄电池由于电压一致性差异造成的相互间充电现象，同时保证蓄电池牵引工况下，机车再生制动的能量经充电机后向蓄电池充电（从图3中点位3输入），而不会直接向蓄电池充电（由于二极管的反向截止，不会从图3中的点位1输入）；此时，直流高速断路器（HSCB）和主接触器均保持在闭合位。

（3）正常操作及故障保护

主回路熔断器用于负载侧的电缆及设备的短路保护；直流高速断路器（HSCB）主要作为牵引变流器的保护开关，当变流器内部发生紧急故障时，能够迅速隔离电源，避免故障扩大；主接触器用于蓄电池牵引和接触网牵引两种工况的电路正常转换时的分合操作，这样可以大幅减少直流高速断路器（HSCB）分合的动作频率，降低运营维护成本。

5.3 蓄电池管理系统（BMS）

对于高功率、大容量的锂离子电池系统来说，蓄电池管理系统（BMS）是必不可少的。双源制电力机车的BMS系统主要完成下列功能：电池组内单体电芯电压检测、充放电电流检测、环境温度检测、高压绝缘检测、电池组的SOC等参数的计算；进行故障分析、与机车中央控制单元（CCU）信息交换；对电芯进行均衡，与机车的牵引、充电控制系统一起，防止蓄电池组出现过充、过放、超温、过流等问题，提高蓄电池单体间的一致性，保证工作安全及延长蓄电池使用寿命。

（1）BMS系统电气架构和功能说明

整车牵引蓄电池组的BMS系统电气架构由8个子系统（每条蓄电池支路做为1个子系统）和3层管理单元构成，如图4所示。

图4 BMS系统电气架构图

第1层是子系统电池管理模块CMU（Cell Man-agement Unit）和高压管理模块 HMU（High-voltage Management Unit）组成。每个CMU可以管理16个单体蓄电池，即2个电池模块，每个子系统共有15个CMU模块。该模块的功能主要有与该子系统的BMU通讯；单体电池电压测量及数据上报；模块温度测量及数据上报；执行由BMU下达的充电均衡命令。每个HMU管理一个子系统，HMU模块功能主要包括：与该子系统的BMU通讯；该子系统总电压、电流测量及绝缘电阻实时检测及数据上报。

第2层是子系统主控BMU模块（Battery Management Unit），每个BMU管理该子系统的1个HMU和15个CMU，BMU模块功能主要包括：与CBMU进行CAN总线通讯；根据HMU、CMU上传信息，计算本子系统的SOC、SOH及最大可允许充放电电流，分析其故障状态及信息上报；上传温度、电压、电流、绝缘电阻等数据；执行子系统电池组正极接触器分合控制；控制各子系统工作电源功率，使得在非工作状态下，电池均衡完毕后，进入低功耗模式；均衡功能的控制及均衡目标值的计算等功能。

第3层是整车蓄电池组系统CBMU模块（Center Battery Management Unit），其主要功能包括：按照约定通讯协议与机车CCU进行总线通讯，接受CCU发出的BMS系统上电运行指令，各子系统蓄电池正极的接触器分合指令；系统自检功能管理；并上传下列主要信息：与各子系统的BMU进行通讯；各子系统的工作状态；系统内的单体电池电压极值；电池模块温度极值；各子系统的绝缘电阻和SOC极值；系统总SOC值；各子系统电流值；相应参数的位置号；系统故障信息；实现与远程监控DTU进行485通讯功能，发送电池单体和电池模块的信息。

BMS系统内部通过CAN2.0总线通讯，与机车CCU之间通过MVB-CAN转换器RCM实现。

（2）BMS主要技术参数

6 机车辅助电气系统

机车辅助电气系统包括辅助电源和辅助负载，其任务是保证机车主传动电路、控制电路、风源系统和其他辅助设备的正常工作。辅助电气系统主要由辅助逆变器、辅助变压器、滤波电容、辅助电动机以及接触器、自动开关等设备组成。辅助负载包括：牵引风机、牵引变压器风机、油泵、牵引变流器风机、牵引蓄电池风机、压缩机、控制蓄电池充电机、380V／230V变压器等。

机车采用一套辅助逆变器电源，按照CVCF方式工作。其输出三相电源经辅助变压器和并联电容组成的隔离、降压、滤波电路后，向机车的辅助负载供电。辅助电路电压为3AC380V±5%，50Hz。辅助负载中的380V／230V变压器，主要提供取暖和加热电源。

在牵引风机和牵引变压器风机的供电电路中增加了接触器，按照温度控制的原则进行投切。这样做，一方面是考虑降低辅机能耗，另一方面是为了降低噪声，例如当机车在接触网下长时间静止待机工况和向牵引蓄电池充电时，牵引风机可以停止运行，减轻噪声污染。

7 结束语

交流传动的双源制调车电力机车是一种新能源调车机车，其主辅传动电路借鉴成熟可靠的“和谐型”大功率交流传动机车电路，并结合车载动力锂电池的特点和调车机车工况进行设计；机车的牵引电源以电网为主，蓄电池为辅，对于电网较为普及的站场或线路有很好的适应性。随着国家新能源产业的大力发展和蓄电池技术的不断进步，双源制调车电力机车有着更大的应用空间。

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