高可靠性补偿式铁路净化电源系统设计

张巴图，槐博超，

高可靠性补偿式铁路净化电源系统设计

张巴图1，槐博超2，

（1. 神华准能集团有限责任公司科学技术研究院，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2. 武汉长海高新技术有限公司，武汉 430000）

铁路电力系统普遍采用三相10 kV 50 Hz供电制，承担着铁路电力自闭线、贯通线、站馈线等重要负荷供电重任，一二级负荷多，供电质量要求高。传统供电方式存在电能质量差、供电可靠性低、建设管理成本高、资源浪费等问题。本文提出了一种高可靠性补偿式铁路净化电源系统方案，利用交直交电力电子变换装置和串联耦合变压器对牵引供电网电源进行净化和补偿，解决牵引供电网电能质量和可靠性问题。

铁路电力 净化电源 27.5 kV/10 kV 高可靠性 储能

0 引言

电气化铁路在国家总体安全、经济发展战略意义重大，从用电类别角度，电气化铁路供电系统包括牵引供电系统和铁路电力系统，分别采用单相27.5 kV电制和三相10 kV电制。

铁路电力系统用电负荷分为区间通信、信号、照明等贯通线供电的负荷、车站供电负荷、机车车辆检修所负荷等，供电质量和可靠性要求高[1]。

铁路电力系统三相10 kV电源传统上有两种获取手段，一是从两牵引变压器二次侧取两路单相27.5 kV电源，经两相/三相变压器供电；二是由地方供电公司提供三相10 kV供电。为保证供电可靠性，一般采用双电源冗余供电，两路电源中至少一路由地方电力网供电。

我国电气化铁路牵引供电网为单相工频交流电制，额定电压27.5 kV，大功率电力机车和动车组这一单相非线性负荷，具有较强的波动性和随机性，对电力系统产生电压暂降/暂升、谐波、负序、功率因数等不良影响[2]。以电压指标为例，GB/T 1402标称25 kV的牵引供电系统最高持续电压27.5 kV、最高非持续电压29 kV、最高长时限过电压38.75 kV、最低持续电压19 kV、最低非持续电压17.5 kV。直接通过变压器变换供应的铁路电力系统10 kV电源不满足供电电压±7%的偏差要求。在电能质量方面也越来越难以满足铁路电力负荷的需要，且占用牵引负荷容量，不符合动力网和电力网解耦的发展趋势。

此外，铁路电力系统的建设、管理涉及电力、铁路、地方规划、市政等诸多部门及相关企业，存在供电方案协调、报批、城市规划诸多影响因素，很难做到资源的集约利用。特别是西部，铁路变配电所与城市电网的距离远，地方电网弱，为实现稳定可靠供电由地方电网提供一路甚至两路长距离10 kV专线成为不得不采取的艰难选择，带来极大的土地、设备、人力投入。

鉴于以上原因，近年来业内开始研究从牵引接触网取电，通过电力变换提供三相10 kV供电的供电方式。鉴于铁路牵引供电网自身的电能质量问题和动力网与电力网电制差异，基于电力电子技术的净化电源装置（系统）成为必然选择。

1 铁路电力网的特殊问题

牵引变电所是铁路牵引供电系统的心脏，主要任务是变压和分相，即将地方电力系统提供的两路互为备用的110 kV（220 kV）三相工频交流电经牵引变压器变换为25 kV或2×25 kV的单相交流电馈送给牵引接触网。受电力机车、动车组运行影响，铁路牵引供电网存在电压暂升、电压暂降、谐波、负序、功率因数等电能质量问题，尚无成熟解决方案。

目前，已知的铁路电力网供电容量在1 MVA～4 MVA之间，铁路电力网自闭线、站馈用电支路众多，通过调压器为贯通线沿线的通信、信号、照明、风机等负荷供电，负荷种类多、随机性强，设置复杂的互联、旁路开关装置以满足双电源切换、越区供电等要求。各配电支路根据需要动态投切，配电变压器、调压器空载直投，甚至是带载直投，变压器励磁涌流极易触发电力电子装置保护甚至是设备损坏导致供电中断。传统的励磁涌流抑制方法，诸如串联阻抗限流法、变压器预充磁法、降压软启法从本质上都是在投入时刻降低了配电变压器、调压器一次侧的电压，存在已供电负荷失电风险，且带来了巨大的设备投入；分相合闸法、控制合闸相位角法也因开关装置型式和动作时间的随机性等原因在工程上无法实现[3]。

2 已有解决方案

2.1 高压级联全功率变流方案

图1 方案一原理图

文献[4]和文献[5]提出一种基于高压级联全功率变流方案（以下称为“方案一”），如图1所示。单相27.5 kV牵引接触网电源经开关装置接单相多绕组变压器T1一次侧。T1二次侧共包含3n个单相交流绕组（n为串联支路数），电源变换器采用串联单元多电平拓扑（CCMC），每相电压由n个基本功率单元串联组成。通过对IGBT逆变桥进行SPWM调制，得到正弦的单相交流输出，经输出滤波器后输出高质量的正弦电压。该拓扑与级联型通用高压变频器类似，不同之处在于，高压级联变频器功率单元为三相二极管整流拓扑，多绕组变压器为三相错相结构；而方案一中的功率单元为单相二极管整流拓扑，多绕组变压器所有二次绕组同相位。

基本功率单元原理图如图2所示，整流为二极管不控整流拓扑，逆变为单相IGBT H桥拓扑，直流环节包括共模电压抑制阻容网络、支撑电容及均压电阻，在高可靠性应用场合串联单元数量往往在最小需求数量基础上增加1～2个，单元逆变输出侧需配置旁路接触器，当功率单元失能时，通过旁路接触器实现功率单元旁路功能。该方案主回路拓扑采用低压级联方案，无公共直流母线对称结构，可利用低压器件构成的功率单元实现高压输出；输出电平数多，输出谐波失真小。

图2 方案一功率单元原理

不利之处在于，系统复杂，旁路接触器动作时间一般在几十到100毫秒，且存在随机性，工程应用可靠性差；整流拓扑为多组同相单相二极管，功率因数低，谐波大，直流脉动大，整流比随负荷率变化大，这直接导致两个结果：其一，净化电源装置的非线性负载特性会恶化牵引接触网的电能质量问题；其二，为了适应牵引接触网的宽电压范围，电压配合必须按铁路牵引供电网最大电压确定，一般取31 kV，每相功率单元串联数明显增多；其三功率单元支撑电容容值要求大。此方案输出不隔离，短路容量大，且模块化是有局限性的。统一规格的模块覆盖的容量范围窄，如果非要一款单元满足1 MVA～4 MVA的容量要求，必须采用相电压又串又并的拓扑。系统的复杂程度大大增加，可靠性大大下降。

2.2 变压器耦合高低高全功率变流方案

如图3所示，文献[6]提出了一种基于H桥逆变和变压器耦合方案（以下称为“方案二”）。此方案采用单相整流变压器，将牵引供电网单相27.5 kV电源变换为低压单相交流电。变流器采用分组共直流母线结构，一个整流单元同时为三个单相H桥供电。三个H桥对应升压变压器的三个低压绕组，通过控制实现一次互差120°的相位和电压控制，经变压器升压后构成三相Y接10 KV电源，再经滤波器为负荷供电。该方案结构简便，易控可靠；可方便的实现容量扩展，通过增加变流器组数、变压器T1二次绕组数、变压器T2一次绕组数可以方便的实现容量扩展；不同组别的对应相采用载波移相技术，可有效降低输出电压谐波；不同组别的功率单元之间电气上完全隔离，冗余性好，供电可靠性高。相电压对立控制，带不平衡负载能力强。与方案一类似，抗配电变压器直流励磁涌流能力差。

图3 方案二原理图

3 高可靠性补偿方案

3.1 系统方案

针对上述两方案的不足，提出一种基于两相/三相变压器和串联耦合变压器的补偿方案（以下称为“本方案”），如图4为某牵引变电所用2 MVA装置（输入电压范围19 kV～31 kV）。

动力变压器从牵引供电所两牵引变压器二次侧取电，将2路单相27.5 kV电源变换为三相10 kV和3相630 V电源，容量分别为1.5 MVA和630 kVA。其中10 kV输出为主输出，供电相上串联单相耦合变压器一次侧（高压），变流器采用四象限PWM整流、共直流母线、H桥逆变方案，逆变侧三组H桥分别接三台耦合变压器的二次侧（低压）。实时检测10 kV线路电压，当实际输出电压偏低时，变流器输出与10 kV同相位的电压，通过耦合变压器与10 kV主电源叠加，使输出电压达标；当实际输出电压偏高时，变流器输出与10 kV存在一定相位差的电压，通过耦合变压器与10 kV叠加，使输出电压达标；对于10 kV线路中存在的谐波，变流器输出一个反向的电压进行抵消。

变流器故障退出时，断开变流器输入输出侧的检修开关，同时闭合耦合变压器二次侧的快速短接开关，由动力变压器的10 kV副边绕组直接给供电，保证负载不间断供电。变流器只需要补偿系统电压的偏差、畸变和与目标电压波形相差部分（缺损电压/超额电压），而大部分能量还是直接由电网提供给负载。短路容量小、造价低、供电可靠性高，系统效率高。

图4 方案原理图

补偿式净化电源装置从牵引变压器副边（接触网电源）取电，经过稳压调节、滤波等净化处理，消除接触网电源固有的电压跌落、突升、突降、过电压、欠电压、电压波动、三相电压不平衡、电压谐波等电能质量问题，得到稳定的三相10 kV电源。该装置可提供高质量纯正弦波电压输出，其输出电压不受牵引负荷波动、谐波等影响，电能质量特性满足国家电力及铁路相关标准。

3.2 变流器方案

如图5所示，变流器主要组成部分包括LCL进线滤波器、PWM整流单元、H桥逆变功率组件、LC滤波电路，共直流母线结构。

与二极管整流拓扑相比，PWM三相整流桥和H桥拓扑提供了双向能量通道，使得相电压独立双向补偿成为了可能，可有效解决10 kV电网的电压升、电压降、三相不平衡问题，直流母线电压稳定、电压利用率高。独特的分组共直流母线结构，可采用同一规格的功率单元实现更大容量装置的，只需将动力变压器二次低压绕组增加一组、将补偿变压器二次低压侧绕组增加一组、变流器采用同规格的两路即可实现容量的成倍扩展，这一结构最大程度上实现了系统解耦和产品模块化，实现了冗余供电，将传统的串联可靠性模型变为并联可靠性模型，供电可靠性大大提高。控制策略采用独立相电压闭环控制，通过实时比较目标相电压波形和实际相电压波形，控制单相逆变桥输出电压的波形、相位和幅值实现闭环调节，控制结构简单、响应快、稳定性好。低压补偿回路的存在使得电压检测可以从低压侧获取，客观上降低了装置的电气风险。

图4 变流器原理图

3.3 励磁涌流问题的解决

本方案配电变压器直投励磁涌流对电力电子装置的影响远低于方案一和方案二，不考虑限流降压措施，以2 MVA装置半载运行时馈出二支路500 kVA变压器直投为例说明。

1）方案一：功率组件输出侧额定电压450 V，额定电流为115.5 A，变压器投入前工作电流57.7 A，变压器合闸励磁涌流289 A（变流支路额定电流的2.5倍），总输出电流达组件额定电流的3倍。

分析可知，不采用限流降压措施的前提下，为了满足变压器直投励磁涌流工况，方案一和方案二功率组件电流规格至少提高2倍，方案三至多提高1倍即可。

3.4 快速短接开关

本方案变流器故障退出时，耦合变压器呈现电流互感器特性，其绕组储存的能量经逆变H桥IGBT的反并联二极管构成的整流电路向支撑电容充电，电容电压上升率与负载电流、线路阻抗和支撑电容容值相关。仿真和实践结果表明，如不采取措施，直流母线电压已5～10 V/ms的速率上升，危及设备安全。因此，在耦合变压器二次侧设置快速短接开关，动作时间要求能在20 ms内，不失一般性，可采用快速接触器和晶闸管反并联阀组，这两种方式在工程实践中均有应用。诚然，该快速短接开关也可设置在耦合变压器一次侧，应在一次侧串联接入10 kV供电线路，器件电压等级需按10 kV选型，从成本和技术成熟度考虑，推荐在二次低压侧使用快速接触器。

3.5 储能装置

本方案在10 kV输出侧设置升压变压器，储能装置通过PCS装置接变压器二次侧（低压），可实现主电源失电时的秒级支撑，为二三级负荷开关装置切除留出动作时间，只为一级负荷供电。系统对储能装置的要求是短时大功率，推荐采用飞轮储能方式。

储能接入的另一个方案是，在整流变压器二次侧增加一个绕组，储能装置从该绕组接入，27.5 kV失电后，储能装置放电经该二次绕组、10 kV绕组为负载供电。

4 方案比较

表1 方案比较

5 结束语

针对电气化铁路三相10 kV电力系统供电方案，提出了一种高可靠性补偿式铁路净化电源系统方案。利用交直交电力电子变换装置和串联补偿耦合变压器对牵引供电网电源进行净化和补偿，解决牵引供电网电能质量和可靠性问题，为铁路电力系统提供高可靠性高质量供电。相比之下，具有供电可靠性高、对牵引动力网影响小、模块化程度高、冗余供电便利、简单易控等优点，相关产品在工程实践中应用良好，具有极高的经济、社会效益和推广价值。

[1] 赵欣. 客运专线铁路电力变配电所电源方案研究[J].铁道工程学报, 2011（4）: 71-74+119

[2] 李群湛等. 电气化铁路供电系统及其电能质量控制技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2015

[3] 孙厚涛, 伍迪, 骆健等. 港口岸电变频电源涌流分析与抑制方法研究[J]. 水道港口, 2019, 10 （40） No.5: 556-564

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

[5] 丁福太. 27.5/10 kV铁路净化电源装置的工程应用[J]. 电气化铁道, 2020(01): 41-43

[6] 高晓峰, 方华松. 一种铁路净化电源装置的设计[J].船电技术, 2017, 37(12): 43-48

[7] TB10008-2015 铁路电力设计规范[S]. 国家铁路局, 2015年12月23日发布

[8] GB/T 1402-2010 轨道交通牵引供电系统电压[S].中华人民共和国铁道部, 2011年1月10日发布.

Design of high reliable and purified railway power supply system with compensation

Zhang Batu1，Huai Bochao2

(1. Institute of Science and Technology, Shenhua Zhunneng Group Co.,Ltd, Erdos, Inner 010300, Mongolia, China; 2.Wuhan Great Sea Hi-Tech CO.,LTD.,Wuhan 430000, China)

U223.5+2

A

1003-4862（2022）03-0052-05

2021-07-30

张巴图（1983-），男，高级工程师。主要从事电气与电力电子技术。E-mail: huaibc@163.com