铁路新型接触网取电电源净化装置的研究

刘卓辉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)



铁路新型接触网取电电源净化装置的研究

刘卓辉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

对比接触网供电质量与铁路站点常用用电设备供电要求，借鉴国内外已有的从接触网取电的做法，提出一种新型接触网取电电源净化装置。装置采用直流环节作为中间环节，实现输入电压与输出电压的解耦，有效解决输入电压波动范围大和品质差的问题；采用一种带有输出电压有效值反馈控制及负载电流前馈控制的多闭环反馈控制器方案，使接触网电源净化装置具有自动的限流保护功能，可以提高电源驱动冲击负载的能力；负载电流前馈控制的引入，可使接触网电源净化装置对负载的变化有及时的调节能力，同时使动态响应特性大大提高。新型接触网取电电源净化装置在铁路站点进行实际测试证实，可在输入电压谐波较大、电源波动范围较大、电压波峰系数较高的条件下可靠运行，输出稳态和动态指标满足用电设备要求。新型接触网电源净化装置技术先进，具备在国内和国际上推广的实力和前景。

电气化铁路；接触网取电；谐波；逆变；稳压

1 概述

在我国电气化铁路建设的发展进程中，铁路信号等负荷采用接触网电源供电的方案经过如下几个阶段：接触网电源通过27.5/0.23 kV变压器降压后不经处理直接作为信号的备用电源[1-2]；接触网电源经过简单稳压处理后作为供电电源阶段；接触网电源经过UPS或交直交装置净化后作为供电源阶段[3]。

我国铁路电力供电对可靠性和安全性的要求一般高于其他国家，接触网取电供电方案较少采用。但在参与国际项目时，接触网取电供电方案较为常见，诸如匈牙利、塞尔维亚、马其顿等东欧国家，甚至是德国、西班牙等西欧国家。因此接触网取电电源在国际市场上前景广阔，高品质的接触网取电电源的研究很有必要。

在德国，接触网电源直接降压后为道岔融雪供电[4]，不再考虑为信号等一级负荷供电。在西班牙，由于投资限制，个别处所采用接触网电源经净化处理后为信号等负荷供电，采用以晶闸管(或整流二极管)和IGBT(绝缘栅双极晶体管)为主要元件组成的交直交电源净化设备(采用智能型双变换不间断工业电源系统)。

目前国内在使用的接触网电源取电供电涉及了上述所有方式。早期利用接触网电源作为信号等负荷的备用电源装置，由于没有进行净化处理，运行中经常发生烧坏负荷的事故[5]。国内有采用交直交净化的类似装置，但均无相关成套技术标准或经过有关部门的检测。某些处所采用大容量UPS作为净化电源装置，但UPS[6]作为一款通用设备，并未针对接触网电源电能质量特性和铁路处所负载特性进行设计。鉴于以上情况，必须研制一种适用于接触网取电的、性能满足信号设备等负荷的电源净化设备。

2 接触网电源的电能质量与用电负荷需求分析

某电气化铁路用电负荷，其电源为接触网经27.5/0.23 kV变压器简单降压。对此电源的输出经过一段连续时间的测试，结果为：电压有效值在215～250 V范围内波动，如图1所示；峰值电压在310～450 V范围内波动，如图2所示；最大谐波为20%，如图3所示。接触网主要的用电负荷为牵引机头，同一段接触网供电区间可能没有，也可能同时有多列机车在运行，因此不同时间牵引网上的电能质量状况不同；机车位置相对牵引变压器的距离有近有远，距离随着列车的运行随时发生变化，在同一测量地点牵引网电能质量状况也不同。由于牵引负荷(整流性负载)在空间和时间分布上的随机性，使接触网电压波形、谐波含量在不同时间、不同地点有不同的特点[7]。

图1 电压波动范围

图2 电压峰值波动范围

图3 电压谐波范围

经过大量测试统计，从接触网直接经过变压器降压取电，电压有效值波动范围可达到±40%，最高峰值电压可达到460 V或更高，电压波峰系数可达到2.0，电能质量的各项指标大大超出了国家电力标准规定的允许偏差[8-11]，对用电负荷的安全运行造成了严重威胁，甚至对相关继电保护系统也会造成干扰，误动作的风险增加，极端情况下对行车安全会构成威胁[12]。由此可见，接触网电源不宜直接作为用电负荷的供电电源。

各类用电负荷的输入电源需求，一般按照是否设置电源屏、UPS进行分类。

通信、信号负荷均设置电源屏[13]，其输入电源按照电源屏技术要求确定。通信电源屏一般仅在输入电压(±15%)、输入频率(50±1) Hz两方面有具体要求；信号电源屏一般仅在输入电压(±25%)、输入频率(50±1) Hz两方面有具体要求。

设置UPS的用电负荷，其配置的标准UPS的电源输入条件为公用低压电网电源条件。若输入电压、频率、电压畸变率有特殊要求时，需特殊订制。通常特殊订制的大功率UPS的输入电压(±25%)、输入频率(50±1) Hz两方面有具体要求。

其他用电负荷采用公用低压电网电源条件，即：输入电压(±10%)、输入频率(50±2) Hz、输入电压总畸变因数(D≤0.08)等。

以上分析表明，接触网电源的电能质量与用电负荷对供电质量的要求之间存在巨大矛盾，有必要设置中间设备对接触网电源进行净化处理。

3 接触网净化电源与UPS电源对比

大功率UPS电源输入电压范围一般不超过±25%，通常不能满足接触网电压变化范围。接触网电源净化装置按照铁路接触网电压波动范围及现场实测数据为依据进行设计，以满足现场运行需要，电压波动范围最高可达到±40%。

UPS电源要求输入电压峰值计算按照正弦波波峰系数1.414计算，实际现场由于谐波影响，接触网电压波峰系数可高达2.0，存在较高的电压尖峰，对UPS输入造成安全隐患。经过针对性设计的接触网电源净化装置能承受此电压尖峰，同时功率器件和控制供电充分考虑了接触网电压谐波含量高，电压尖峰高的特点，能够安全有效运行。

UPS输出设有125%额定负载过载保护和短路保护，对冲击性负荷反应敏感，作为信号电源的供电，特别是智能电源屏的供电，由于电源屏的整流电源、变压器负荷和转辙机电机等高冲击负荷的存在，对UPS的输出造成大电流冲击，易造成UPS保护动作，影响供电可靠性。接触网电源净化装置采用多闭环电感电流及输出电流控制技术，能够实现输出限流，对冲击性负荷具有很强的适应性，能够有效保证供电可靠性[14]。

4 新型接触网电源净化装置的关键技术

4.1 输入谐波消除

新型接触网电源净化装置主回路设计时采用交直交拓扑形式，主要由整流器、直流滤波器、逆变器、输出变压器、输出滤波器组成。输入电压经过三相全桥整流和LC滤波器，将输入三相交流电压整流、滤波为平滑直流电压，该直流电压再经过3个单相H桥逆变电路，逆变为交流电压施加到输出变压器上，在变压器输出侧设置有交流滤波电容器，利用变压器的漏感和滤波电容组成LC滤波器，以消除逆变过程中产生的高次谐波。由于中间直流母线的存在，输入交流侧的谐波不能传递到输出交流侧，有效地滤除了接触网电压中存在的谐波，其原理如图4所示。

图4 新型接触网电源净化装置原理示意

4.2 输出电压控制

新型接触网电源净化装置需要在输入电压大范围波动及输入电压波形严重畸变的条件下保持输出电压波形为稳定、平滑的正弦波。为实现此目标，控制器采用一种电感电流(即逆变器输出电流)反馈控制加输出电压有效值反馈控制及负载电流前馈控制的多闭环控制器方案，可以对输出电压的波形、频率、幅值进行精确控制，同时保证输出的稳态性能和动态性能。

该控制器将电感电流反馈值作为电流控制环，通过一个PI控制器对逆变器输出电流进行实时调节，电流控制环跟踪给定的正弦波信号，可以对输出电压波形进行实时控制，以保证输出电压波形品质。电流控制环具有最大输出电流限制能力，当电感电流达到预设的最大值之前，电流控制环的输出幅值不再增加，使得电感电流不再增大，如此将使新型接触网电源净化装置的输出电流得到限制，即使发生短路，输出电流也能被限制在安全范围内。

给定输出电压值及输出电压反馈值作为电压控制环的输入，通过检测输出电压与给定电压的误差，通过比例调节器，对输出电压的有效值进行控制，以保证正常负载条件下输出电压的稳定。在发生输出严重过载或短路时，电压控制环的输出被电流控制环的输出限制，在维持输出电流不再增加的同时，输出电压有效值自动降低。

由于PI调节器本身的固有特性，对输出的控制有一定的滞后作用，较大的PI参数对调节精度有好处，但在负载大小急剧变化时，会造成输出电压的超调量过大和恢复时间延长。在电流控制环和电压控制环之外引入输出电流前馈控制可以提高响应速度，通过适当调整前馈系数，可以保证在不影响系统稳定性的前提下，输出电压的动态特性得到改善[15]。

4.3 输出滤波[16]

在新型接触网电源净化装置内，逆变器的输出为PWM波，含有大量的高次谐波成分，不能直接作为普通用电负荷的供电电源(变频电机等由变频器驱动的负荷除外)。在逆变器输出设置滤波器是必不可少的，它的作用是滤除输出谐波成分，使得输出电压谐波含量达到要求，将逆变器输出的PWM波处理为正弦波。输出滤波器一般设计为LC电路。在输出滤波器设计中，主要考虑的因素如下。

(1)合理选择L、C参数，在输入电压变化范围内使输出电压的单次谐波含量及总谐波含量满足要求。

(2)充分考虑在极端工作条件下，例如在最低输入电压最高输出电压时，输出空载和满载下，输出电压的单次谐波含量及总谐波含量符合要求。

(3)应平衡考虑新型接触网电源净化装置对线性负载和非线性负载的适应性，在LC之积恒定时，L越小，输出阻抗越小，对非线性负载的适应能力越好。

(4)由于LC滤波电路本身的特性，空载时电容元件的充放电会带来LC电路的空载电流，造成热损耗，进而影响到整机效率，因此空载电流越小越好。

(5)电感应选用体积小、质量轻的产品；电容元件应充分考虑其安全性，特别是使用金属化膜电容时应保证其工作电压在允许的范围内并有一定的裕量，一般推荐使用电压不超过额定电压的一半，当输出频率在50 Hz以上时，最好按照实际使用频率对其热特性进行测试，简单的判断方法是在静态环境中通电试验，热稳定后表面温升应不超过10 ℃。

输出变压器或多或少本身都存在漏感，输出变压器设计定型及工艺确定后该漏感将为恒定值。为了节约成本可以利用输出变压器的漏感作为输出滤波电感，在设计和加工过程中控制输出变压器漏感在合理的范围内，可以避免专门设计、安装滤波电感，从而降低整机成本并减小体积。

LC滤波器参数计算方法建立在新型接触网电源净化装置主要技术指标基础上。设计之前需要确定主要输出参数，并确定基本参数，包括：额定输出电压及输出电压调节范围、额定输出频率及频率调节范围、载波频率(或等效开关频率)、负载功率因数范围、负载有功功率、输入电压范围、直流母线电压范围、输入PWM波幅值的变化范围、变压器变比。最终确定L、C参数所主要考虑以下4个指标。

(1)要求的输出电压谐波含量。用户对输出电压的总谐波含量及单次谐波含量做出规定，输出电压波形应满足该指标。

(2)输出滤波器的基波电压增益。在新型接触网电源净化装置输入电压达到最低、负载满载、功率因数最低的条件下，输出电压指标能达到规定，并且不发生过调制。

(3)空载条件下，在输出电压满足规定时，输出滤波器的输入电流最小。这样可以使损耗较小，有利于整机效率的提高。

(4)满足上述3个要求的前提下，使新型接触网电源净化装置对非线性负载的适应性最好。

5 新型接触网电源净化装置的应用

图5～图7给出了接触网电源净化装置在太中银铁路-板窑车站测试的电网和净化装置输出参数的情况，其中曲线1是接触网特性，曲线2是接触网电源净化装置输出特性。

图5 净化装置输入、输出谐波变化曲线

图6 净化装置输入、输出电压变化曲线

图7 净化装置输入、输出电压峰值变化曲线

从图中可见，本新型接触网电源净化装置能有效滤除电压尖峰，同时功率器件和控制供电系统能适应接触网电压谐波含量高，电压尖峰高的特点，为铁路站点各类生产、生活用电负荷提供高品质电源。

6 新型接触网电源净化装置的主要技术指标

6.1 输入指标

(1)电压

①供电相电压有效值持续波动在AC 154～308 V范围内；

②供电相电压有效值瞬时波动在AC 110～308 V范围内。

(2)频率

供电电压频率持续波动在50×(1±5) Hz范围内。

(3)电压谐波

供电电压的总谐波失真不大于40%，各奇次谐波失真不大于20%，各偶次谐波失真不大于10%。

6.2 输出指标

(1)额定输出电压：AC 380 V/220 V(三相四线制)。

(2)额定输出频率：50 Hz。

(3)频率稳定精度：1‰。

(4)电压稳定精度：380 V/220 V±2%(稳态)380 V/220 V±5%(瞬态)。

(5)三相相位差：120°±2°(1/3不平衡负载)。

(6)谐波失真(THD)：≤2%(线性负载)。

(7)三相不平衡能力：100%。

6.3 适应负载能力

(1)三相输出适应完全不平衡负载使用，即可单相满功率使用。

(2)适应非线性负载使用。如整流负载，电机负载。

(3)输出限流工作模式，适应冲击性负载。如变压器负载、电动机负载等。

7 结论

介绍了一种高品质的新型接触网电源净化装置，可改善接触网电源供电质量，为各种用电负荷提供优质、可靠的工作电源，并利于解决从接触网取电供电时，电源电能质量与用电负荷所需之间的匹配性问题，其各项技术指标既满足我国电能质量方面的国家标准也符合IEC标准。

本装置主要特点是通过中间直流环节实现输入电压与输出电压解耦，避免了输入电压谐波对输出的影响；特别是采用带有输出电压有效值控制及负载电流前馈控制的多环反馈控制方法，进一步优化了输出的稳态和动态指标；输出限流技术对冲击性负载、短路或接近于短路的工作状态具有较好的承受能力，可满足电气化铁路各类常见负载的供电要求；研究还总结了输出滤波电路设计时应考虑的因素，希望能对同类装置的研制提供参考。

新型铁路接触网净化电源装置为铁路负荷供电提供了一种新的解决方案和设计思路，并可推广到其他对电能质量敏感的工矿企业，相比从公共电源取电可节约投资并缩短建设工期。这种供电方式在欧洲国家已经有成熟的应用，同类装置的供应商有英国CHLORIDE公司、ABB的AVC1和AVC2系列产品，美国SoftSwitching公司的DySC系列产品。

目前我国铁路正面临走出去的任务，各类机电设备的输出也是重中之重，特别是我国目前正在开展设计的塞尔维亚至匈牙利铁路，接触网取电装置要大量使用。新型接触网电源净化装置技术先进，在太中银铁路项目上已成功运营5年，稳定、可靠，具备在国际上推广的实力和前景。

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Study on New Railway Catenary Power Purification Device

LIU Zhuo-hui

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

Comparing the railway catenary power quality with the power supply requirements of common electrical equipment in the railway station and according to the existing approaches to collect power from the catenary at home and abroad， this paper proposes a new railway catenary power purification device. The device uses a DC link as the intermediate process to achieve decoupling between the output voltage and the input voltage， thus effectively solving the problem of poor quality and large fluctuation of the input voltage. The scheme of a multi-loop feedback controller with output voltage RMS feedback and load current feed-forward control is adopted to function the catenary power supply purification device with automatic current limiting protection， which can increase the ability of the power-driven and impact load. The load current feed-forward control enables catenary power purification device to timely regulate subject to load changes， and greatly improves dynamic response. The practical tests in the railway station confirm that the catenary power purification device operates reliably in the case of larger input voltage harmonics， larger range of power fluctuation， higher voltage crest factor， and produces steady outputs and required dynamic indicators to meet the requirements of electrical equipment. This new and advanced device is competitive in both domestic and international markets.

Electrified railway; Collect power from catenary; Harmonic; Contravariant; Voltage stabilization

2016-03-07；

2016-03-27

铁道部科技研究开发计划项目(建技科字(2006)第8号)；铁道第三勘察设计院集团有限公司科研课题。

刘卓辉(1979—)，男，高级工程师，2005年毕业于天津大学电力系统及其自动化专业，工学硕士，E-mail：liuzhuohui518@126.com。

1004-2954(2016)11-0125-05

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.028