一种铁路净化电源装置的设计

高晓峰，方华松



一种铁路净化电源装置的设计

高晓峰，方华松

（武汉船用电力推进装置研究所， 武汉 430064）

本文讨论了一种27.5 kV/10 kV交直交净化电源装置。该装置从牵引网单相27.5 kV取电，通过“高-低-高”磁场级联型式，将输入电压转换为谐波含量小、幅值稳定的三相10kV电压。该装置具有供电质量高、工作稳定可靠等优点。目前，该净化电源装置已经成功投运3年多，输出电能质量满足设计要求，运行效果良好。

牵引网 净化电源 整流器 逆变器

1 引言

铁路的通信、信号及日常工作和生活采用三相10 kV电网供电，其电能品质及可靠性对铁路运行安全起着至关重要的作用[1]。目前电气化铁路10 kV供电由两路组成：第一路是从牵引网的两供电臂取电，通过27.5 kV/10 kV变压器得到三相电源；第二路是从地方上铺设专用线路给铁路配电网供电[2]。然而，第一路电源存在10 kV电压波动范围大，电能质量差等缺陷，第二路电源增加了铁路一次性建设成本和后期的运行维护费用，甚至在西部某些地区该路电源无法获得[3~6]。

针对上述的问题，本文提出了基于大功率电力电子技术的27.5 kV/10 kV交直交净化电源装置解决方案。该装置从单相接触网上取电，通过先进电力电子变换技术将电压波动范围大、谐波含量高的单相27.5 kV交流电源变换成纯净、稳定、可靠的三相10 kV电源，给铁路三相贯通线或自闭线供电，适用于为铁路车站、通信、信号等重要设备和一级负荷提供可靠及高品质电源。

2 主电路拓扑方案设计

净化电源主要功能为将铁路单相交流牵引供电线路27.5 kV输入电源转换为稳定三相交流10 kV电源，电源的核心为变流器。

传统的“交－交”型变流器所需器件多、控制电路较为复杂、输入功率因数低、电流谐波较严重，多用于特大功率场合。“交－直－交”型变频调速系统将固定频率的交流电源整流为直流，并基于相应的调制及控制策略将直流电变为幅值连续可调的交流电。“交－直－交”型变流器具有控制较为简单、功率因数高及谐波易消除等优点，是目前变流系统的主流。

串联多重化与高－低－高磁场级联两种结构型式均可实现将单相牵引供电线路27.5 kV电源转换为10 kV三相交流电源。

串联多重化结构方案如图1所示。串联多重化高压变流器利用低压单相功率单元串联，弥补功率器件IGBT的耐压能力不足。此方案利用前端多绕组整流变压器进行电网隔离，并将单相牵引供电线路27.5 kV电源转换为多组单相交流电源；变压器的二次侧输出电压供给功率单元，进行单相整流和单相逆变。变流器每相输出由多个功率单元逆变串联叠加后输出，形成相电压5773 V、线电压10 kV的三相交流电源。

高－低－高磁场级联结构方案如图2所示，此方案利用整流变压器，将单相牵引供电线路27.5 kV电源转换为单相低压交流电压进行单相整流后给直流母线支撑电容充电。逆变单元分为三组，每组含多个功率单元模块。三组逆变单元将直流电压转换为相位依次相差120°的单相交流电压，再经过单相变三相的升压变压器实现10 kV的三相交流电源输出。逆变单元采用成熟的基于载波移相的两电平H桥型逆变器，基于载波移相的相电流在升压变压器内部形成磁场级联。

图1 串联多重化结构方案示意图

图2 高－低－高磁场级联结构方案示意图

两种结构型式对比如下：

a) 变流器器件数量

串联多重化结构型式变流器采用低压功率模块串联得到高电压输出。若整流变压器副边输出电压为1100 V，要输出10 kV线电压，共需功率模块21组。若整流变压器副边输出电压为690 V，要输出10 kV线电压，共需功率模块42组。此结构型式所需器件数量极多，导致变流器体积较大。

高－低－高磁场级联结构型式变流器由于输出端接有升压变压器，变流器自身输出为低压。若变压器副边输出电压为690 V，每相两组共6组功率模块即可实现1 MVA满容量输出。因此所用器件少，变流器体积较小。

b) 整流变压器

串联多重化结构型式需要多绕组整流变压器，若整流变压器副边输出电压为1100 V，需21组副边绕组、共42个接头。若整流变压器副边输出电压为690 V，需42组副边绕组、84个接头。过多的副边绕组导致整流变压器造价高、体积大，所需电缆数量多，接点多、接线复杂，故障点增多，系统内阻和损耗增大。

高－低－高磁场级联结构型式变流器原理上只需要一组整流输入，即整流变压器只需一组副边绕组即可满足要求。为满足电流强度需要，可在变流器内部采用多组整流单元并联方式。变压器造价相对较低，所需电缆数量少，接线简单，可靠性较高。

c) 变流器可靠性

串联多重化结构型式变流器功率单元数较多，控制信号以及内部电缆、光纤较多，可靠性相对高－低－高磁场级联结构型式变流器而言较低。高－低－高磁场级联结构型式变流器整个系统结构简单，采用的均为成熟的经过验证的技术。

综合以上两种结构型式类型净化电源的优缺点对比，确定了27.5 kV/10 kV交直交净化电源装置采用高－低－高磁场级联结构型式。

装置主要由整流变压器、变流器、升压变压器三部分组成。其中变流器分为三组，每组由一个H桥不控整流单元和三个H桥逆变单元组成。

3 控制系统方案设计

控制器采用模块化设计，主要分为主控制单元和PLC逻辑控制单元两大部分。

3.1 主控制单元

主控制单元由DSP板、信号调理板、光纤板等组成。所有的电路板安装在标准3U机箱内，并通过背板连接在一起。机箱安装图如图3所示。

控制单元与PLC的通讯采用RS-485总线通信方式。变流装置内部的电信号采集通过霍尔传感器，霍尔传感器输出电流源信号至信号调理板，隔离后至DSP板；控制单元对IGBT的控制及状态采集通过光纤完成。控制单元结构框图如图4所示。

图3 控制单元机箱安装图

图4 控制单元结构框图

DSP主要完成各种数据的采集和处理、输出交流电压闭环控制算法、系统软件保护及通讯等功能，FPGA主要完成PWM信号的生成、硬件保护、逻辑控制等功能。

信号调理板负责对模拟信号进行隔离、滤波和电平转换，送至DSP控制板进行采样处理，同时上下限报警检测电路在电压超过阈值时，发出报警信号，直接封锁光纤板的PWM信号输出。

光纤转换板主要完成PWM脉冲信号的光电转换、功率单元故障信号的光电转换、PWM脉冲死区的生成等功能，发生功率单元故障时，具有最高优先级的故障保护功能。控制回路与功率单元之间通过光纤连接。

3.2 PLC逻辑控制单元

PLC逻辑控制单元主要包括PLC主运算单元、AI扩展模块、DI扩展模块、AO扩展模块、DO扩展模块、通讯扩展模块和OP操作面板。PLC逻辑单元结构图如图5所示。

控制器箱体上设置有“遥控/现地”选择开关。当选择开关置为遥控位置时，控制器通过DCS接口接收来自控制室的控制指令，控制系统运行。当选择开关置为现地控制时，操作人员可在现地通过操作面板实现全部功能，同时通过操作面板上的显示器监视系统的电压、电流、功率等各种运行参数，当系统出现故障时操作面板显示相关的故障信息。

图5 PLC控制原理框图

4 仿真分析

牵引网电压空载设计值为27.5kV，当机车驶入供电段或在供电段启动时，相当于给牵引网突加负载，当机车驶出供电段或在供电段停车时，相当于牵引网突卸负载，牵引网在突加突卸负载和牵引短路阻抗的作用下，必然会导致牵引网电压频繁波动，实际测量牵引网电压波动范围为17.5~31.5 kV。前面已经分析过，牵引网电压在如此大范围频繁波动使得现有铁路10 kV配电网电压波动范围大，不利于铁路安全运营。鉴于此，必须考虑采用适合于铁路10 kV配电网应用环境的净化电源装置，提高铁路运营安全性。

对应用于铁路10 kV配电网环境的净化电源装置进行了输出电压稳定性建模仿真，仿真相关参数如下：整流变压器容量1 MVA，短路阻抗8%，变比为27500 V/690 V；升压变压器容量1 MVA，短路阻抗7%，变比为350 V/10000 V；直流支撑电容13 mF。牵引网电压从27.5 kV跌落至19 kV时电源装置输出电压仿真波形如图6所示，当牵引网电压从19 kV突升至31 kV时电源装置输出电压波形如图7所示。

从图6和图7的仿真结果可以看出当牵引网电压从19 ~31 kV范围内波动时，净化电源装置都能输出恒定三相10 kV电压。

由于10 kV配电网负载分散性大，存在不同负载频繁投切的问题，需要稳压电源装置在突加、突卸负载时具有良好的动态稳定性，为此对10 kV电源装置进行了突加、突卸100%负载仿真，仿真结果分别如图8、9所示。

图6 牵引网电压从27.5kV跌落至19kV时电源装置输出电压

图7 牵引网电压从19 kV突升至31 kV时电源装置输出电压

图8 电源装置从空载突加满载时输出电压

从图8和图9可以看出净化电源装置在突加100%负载时输出电压跌落小于4%，调节时间为2 ms，突卸100%负载时电压抬升小于3%，调节时间为2 ms，反映了净化电源装置输出具有很高的动态稳定性。

图9 电源装置从满载突卸空载时输出电压

5 净化电源装置的应用

进行完上述的方案设计之后，笔者与项目团队开发了一套1 MVA的27.5 kV/10 kV交直交净化电源装置，已交付于乌鲁木齐铁路局某牵引变电所挂网应用，自投运至今，运行三年多，且运行平稳，安全可靠，在中国铁路总公司获得良好口碑。装置现场实景图如图10所示。

图10 电源装置现场实景图

图11 净化电源输出三相线电压波形

在运行过程中测试并记录了相关运行数据及波形，其中输出电压测试波形如图11所示，电压FFT分析结果如图12、13、14所示，输出电压记录表如表1所示，输出电压总谐波畸变率如表2所示。从试验数据可以看出该电源装置输出电压误差精度小于1%，电压总谐波畸变率低于3%，反映电源装置带载输出具有很高的稳定性。

图12 AB线电压FFT分析

图13 BC线电压FFT分析

图14 CA线电压FFT分析

6 结论

本文论述了一种应用与铁路牵引变电所的大功率交直交净化电源的方案设计、仿真分析和现场应用。通过西部铁路沿线10多个牵引变电所的考察发现，此次净化电源装置的应用也是大功率电力电子器件在西部铁路上的首次应用，具有创新性的意义。

表1 输出电压记录表

27.5 kV/10 kV交直交净化电源装置的各项指标都达到或超过了预期技术要求的规定。和现有的供电方式相比，具有电压稳定、输出波形失真小的特点。良好的电源品质使得负载用电设备免受电网电压波动影响，降低线路上各用电设备的故障几率。另外，净化电源装置采用直接在牵引网取电的方式，可大大减少牵引变电所初期建站费用。

[1] 李群湛, 贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2007.

[2] 丁雅丽, 李兴, 李旷. 单相27.5 kV 转三相10kV电源装置[J]. 电源技术应用, 2010, 6(13): 40-44.

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Design of Purified Power Supply Device for Railway

Gao Xiaofeng, Fang Huasong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2017）12-0043-05

2017-09-20

高晓峰（1985-），男，硕士。研究方向：电力电子与电气传动。E-mail: qq393884458@126.com