雙源制調(diào)車電力機(jī)車電氣系統(tǒng)＊

馬曉寧

（中國(guó)南車集團(tuán) 株洲電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心，湖南株洲412001）

本文所介紹的雙源制調(diào)車電力機(jī)車則是由25kV交流接觸網(wǎng)和車載動(dòng)力型鋰離子電池供電的"雙電能"機(jī)車，在有接觸網(wǎng)區(qū)段可以由接觸網(wǎng)供電牽引，并給蓄電池充電；在無(wú)接觸網(wǎng)區(qū)段則由動(dòng)力蓄電池提供動(dòng)力。目前許多鐵路站場(chǎng)和線路都存在有網(wǎng)區(qū)段和無(wú)網(wǎng)區(qū)段，因此這種調(diào)車機(jī)車有著較好的適用場(chǎng)所。只是由于受機(jī)車總重、空間分配、電池性能等條件的影響，蓄電池牽引時(shí)的機(jī)車功率和持續(xù)時(shí)間受到限制，需要針對(duì)具體線路條件和機(jī)車作業(yè)工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文主要介紹雙源制調(diào)車電力機(jī)車的電氣系統(tǒng)。

1 機(jī)車總體參數(shù)

2 機(jī)車電路組成

雙源制機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)主要由網(wǎng)側(cè)電路、交流牽引電路、牽引蓄電池系統(tǒng)、直流高壓電路和輔助電路組成，其中交流牽引電路包括牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機(jī)，且牽引變流器內(nèi)部集成了輔助電源逆變器和牽引蓄電池充電機(jī)。

在接觸網(wǎng)供電時(shí)，網(wǎng)側(cè)電路、牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機(jī)構(gòu)成交—直—交傳動(dòng)系統(tǒng)。牽引工況下，牽引變壓器原邊繞組經(jīng)網(wǎng)側(cè)電路得電，4組牽引繞組同時(shí)向牽引變流器的4重四象限整流器供電，經(jīng)過(guò)中間直流回路后，向2個(gè)牽引逆變器模塊、1個(gè)牽引蓄電池充電機(jī)和1個(gè)輔助逆變器模塊供電。其中每個(gè)牽引逆變器模塊向2臺(tái)牽引電機(jī)供電。電制動(dòng)工況下，再生能量經(jīng)牽引變壓器反饋給電網(wǎng)。

牽引蓄電池供電時(shí)，其做為直流電源，經(jīng)過(guò)直流高壓電路后與牽引變流器中的中間直流回路、牽引逆變電路和牽引電機(jī)構(gòu)成直—交傳動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)網(wǎng)側(cè)電路、牽引變壓器繞組和四象限整流器退出運(yùn)行。牽引工況下，牽引蓄電池電源經(jīng)過(guò)高壓電路、中間直流回路后，向2個(gè)牽引逆變器模塊、1個(gè)輔助逆變器模塊供電。其中每個(gè)牽引逆變器模塊向2臺(tái)牽引電機(jī)供電。電制動(dòng)工況下，再生制動(dòng)反饋能量由輔機(jī)系統(tǒng)和牽引蓄電池吸收；如果電制動(dòng)力不足，將自動(dòng)施加空氣制動(dòng)補(bǔ)充。

接觸網(wǎng)和牽引蓄電池不能夠同時(shí)向機(jī)車牽引變流器供電。

3 網(wǎng)側(cè)電路

網(wǎng)側(cè)電路由受電弓、真空斷路器（HVB）、避雷器、原邊電壓互感器、原邊電流互感器、牽引變壓器原邊繞組、回流電流互感器和接地回流裝置組成。如圖1所示。其中受電弓完成電網(wǎng)受流及再生制動(dòng)時(shí)的能量回饋；真空斷路器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電路正常分合及網(wǎng)側(cè)電路的過(guò)流、過(guò)（欠）壓、接地保護(hù)以及其他部分電路故障保護(hù)功能；避雷器對(duì)雷擊過(guò)電壓和操作過(guò)電壓進(jìn)行防護(hù)；網(wǎng)側(cè)電壓電流信號(hào)由原邊電壓、電流互感器檢測(cè)；牽引變壓器原邊繞組進(jìn)行能量傳遞；接地回流裝置完成電流向鋼軌、牽引變電所的回流。

4 交流牽引電路

機(jī)車的交流牽引電路如圖2所示。牽引變壓器的4組牽引繞組經(jīng)過(guò)1個(gè)牽引變流器柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的供電和牽引蓄電池的充電。電路按照功能可以劃分為以下幾個(gè)部分：牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機(jī)等。

圖1 網(wǎng)側(cè)電路原理圖

圖2 交流牽引電路原理圖

4.1 牽引變壓器

牽引變壓器起著接觸網(wǎng)供電牽引時(shí)的能量傳輸和電壓隔離的作用，其次邊有4組牽引繞組，分別向1個(gè)牽引變流器柜內(nèi)的4重四象限整流器提供電能。

牽引變壓器內(nèi)部還包含有1個(gè)二次諧振電抗器，與牽引變流器柜內(nèi)的二次諧振電容串聯(lián)構(gòu)成二次諧振電路；并且在牽引蓄電池供電工況下，還做為牽引變流器的輸入電抗器。

牽引變壓器主要電氣參數(shù)如表1。

表1 牽引變壓器主要電氣參數(shù)

4.2 牽引變流器

牽引變流器由2個(gè)四象限模塊（含4重獨(dú)立的四象限電路）、1個(gè)牽引蓄電池充電機(jī)、2個(gè)牽引逆變器模塊、1個(gè)輔助逆變器模塊和1個(gè)共用中間直流回路構(gòu)成。采用熱管散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷。

（1）四象限整流器

接觸網(wǎng)供電時(shí)，四象限整流器在牽引工況下進(jìn)行交-直變換，為中間直流電路提供電能；在再生制動(dòng)工況時(shí)，通過(guò)中間直流電路進(jìn)行直—交變換，將電能回饋給電網(wǎng)。四象限整流器采用1.7kV／2 400A的IGBT模塊，考慮到輸入電流較大及可能出現(xiàn)的均流問(wèn)題，沒(méi)有使用2個(gè)IGBT模塊并聯(lián)受流的結(jié)構(gòu)，而是采用4個(gè)IGBT模塊單獨(dú)受流的結(jié)構(gòu)。

4重四象限整流器電路中，有2個(gè)電路前接有預(yù)充電電路。所有四象限整流器電路輸出端并接在1個(gè)中間直流電路上。牽引蓄電池供電時(shí)，四象限整流電路退出運(yùn)行。

（2）中間直流電路

中間直流電路由中間支撐電容、二次濾波電路、短路保護(hù)電路和接地檢測(cè)電路等組成，實(shí)現(xiàn)變流器各功能模塊間的能量傳遞、信號(hào)檢測(cè)和電路保護(hù)等功能。

在接觸網(wǎng)供電模式下，中間直流電壓為DC900V；蓄電池供電模式下，中間直流電壓的正常波動(dòng)范圍在DC900V～DC600V之間（在低溫環(huán)境下，起動(dòng)時(shí)，允許短時(shí)工作在不低于DC540V電壓情況下）。

圖2中，點(diǎn)位1對(duì)應(yīng)牽引蓄電池供電時(shí)的直流主電路輸入，點(diǎn)位2對(duì)應(yīng)預(yù)充電電路輸入，點(diǎn)位3、4則對(duì)應(yīng)充電輸出。

（3）牽引蓄電池充電機(jī)

牽引蓄電池充電機(jī)采用高頻開(kāi)關(guān)電源充電機(jī)，集成在牽引變流器內(nèi)（濾波電抗器置于變流柜外），依據(jù)牽引蓄電池組的充電特性，完成對(duì)牽引蓄電池組的充電任務(wù)。

充電機(jī)的主要電氣參數(shù)如下：

（4）牽引逆變器模塊

牽引逆變器采用1.7kV／2 400A的IGBT模塊構(gòu)成的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，每個(gè)牽引逆變器按照變頻變壓（VVVF）的方式向同一轉(zhuǎn)向架上的兩臺(tái)牽引電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的架控運(yùn)行。牽引逆變器的輸出電壓為3AC 0～702V，頻率為0～130Hz。

（5）輔助逆變器模塊

輔助逆變器做為機(jī)車輔助系統(tǒng)的電源，集成在牽引變流器內(nèi)，其輸入取自中間直流電路；沒(méi)有采用牽引變壓器內(nèi)增加輔助繞組的獨(dú)立式輔助電源的設(shè)計(jì)方式，這是由雙源制機(jī)車主電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，因?yàn)樵跔恳铍姵毓╇娔Ｊ较拢瑱C(jī)車不能從接觸網(wǎng)取流，牽引變壓器將處于無(wú)電狀態(tài)。

輔助逆變器采用恒頻恒壓（CVCF）的工作模式，額定輸出電壓3AC440V，50Hz。

（6）直流預(yù)充電電路

在變流器的中間直流電路前，還接有直流預(yù)充電接觸器和電阻（圖2中的點(diǎn)位2后的電路）。它們可以完成蓄電池牽引工況下，中間直流電路的預(yù)充電任務(wù)。

4.3 牽引電機(jī)

雙源制機(jī)車采用的是YQ306型三相異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)根據(jù)電壓型PWM逆變器供電的特點(diǎn)和調(diào)車機(jī)車低速、大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證在PWM逆變器的整個(gè)輸出電壓、頻率范圍內(nèi)電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩、損耗和噪聲均滿足鐵路牽引運(yùn)用要求。主要電氣參數(shù)如下：

5 牽引蓄電池供電系統(tǒng)

雙源制機(jī)車的車載牽引蓄電池供電系統(tǒng)用于機(jī)車在無(wú)接觸網(wǎng)區(qū)段或接觸網(wǎng)無(wú)電時(shí)向機(jī)車牽引回路供電。系統(tǒng)主要由牽引蓄電池組、電池組管理系統(tǒng)（Battery Manage System）和直流高壓電路組成。

5.1 牽引蓄電池組

牽引蓄電池組的電池采用3.2V／100Ah的動(dòng)力型磷酸鐵鋰電池，由8個(gè)單體電池串聯(lián)成25.6V／100 Ah的電池模塊，做為牽引蓄電池組的基本單元；30個(gè)電池模塊串聯(lián)組成768V／100Ah的電池支路，8條電池支路并聯(lián)構(gòu)成768V／800Ah的電池組電源，裝機(jī)能量614.4kWh。整車共有240個(gè)電池模塊。它們分別安裝在四個(gè)箱體內(nèi)。電氣原理見(jiàn)圖3。

蓄電池組的標(biāo)稱電壓取為DC768V，一是與DC750V的直流標(biāo)稱電壓接近，且充滿電后的最高電壓約DC876V，低于該標(biāo)稱電壓等級(jí)DC900V的最高電壓上限，這樣容易選取相應(yīng)電壓等級(jí)的電氣設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性好；二是可以直接向牽引變流器的DC900V直流中間回路供電；三是當(dāng)升起受電弓后，變流器內(nèi)的充電機(jī)可以利用中間電路穩(wěn)定的DC900V作為電源，以DC／DC降壓斬波的方式向蓄電池組充電；當(dāng)然，采用盡可能高的電池組電壓有利于降低其單體電池的放電倍率，減小載流導(dǎo)體的截面積。

蓄電池組的每條DC768V／100Ah電源支路上串接了支路熔斷器、支路電流傳感器和接觸器，其中的支路電流傳感器用于各支路的電流檢測(cè)，從而獲得電池單體的實(shí)際充放電倍率；支路熔斷器做為各支路電源饋線的過(guò)流保護(hù)；接觸器由蓄電池組管理系統(tǒng)控制，在系統(tǒng)起機(jī)或停機(jī)時(shí)進(jìn)行配置。

蓄電池組的額定放電電流1 400A，單體電池的放電電流1.75CA。

5.2 直流高壓電路

直流高壓電路位于牽引蓄電池電源和牽引變流器之間，其任務(wù)是完成牽引蓄電池組充放電過(guò)程中，能量在牽引蓄電池組和牽引變流器間的雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)電池組電流電壓檢測(cè)、故障支路隔離、電池組支路間隔離、回路分合控制及過(guò)流保護(hù)等功能。電氣原理見(jiàn)圖3（圖3中的點(diǎn)位與圖2中的各點(diǎn)位相對(duì)應(yīng)）。

牽引蓄電池放電時(shí)，電流經(jīng)過(guò)隔離開(kāi)關(guān)、支路接觸器、隔離二極管后匯流，再經(jīng)過(guò)主回路熔斷器、直流高速斷路器（HSCB）、主接觸器后輸出至輸入電抗器（即諧振電抗器）及牽引變流器中間直流回路，然后經(jīng)牽引逆變器和牽引電機(jī)負(fù)載、輔助逆變器負(fù)載后，返回至牽引蓄電池負(fù)極；充電時(shí)，變流器內(nèi)的充電機(jī)從圖2中的點(diǎn)位3輸入，經(jīng)過(guò)高壓電路的隔離二極管、支路接觸器、手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)向牽引蓄電池組充電。直流高壓電路實(shí)現(xiàn)下列功能：

圖3 牽引蓄電池組及直流高壓電路原理圖

（1）電流電壓檢測(cè)

直流回路總電壓和總電流的檢測(cè)，做為顯示和蓄電池電源輸出過(guò)流、欠壓保護(hù)動(dòng)作的依據(jù)。

（2）隔離功能

機(jī)車在運(yùn)行中，牽引蓄電池放電或充電狀態(tài)下，如果某條支路的蓄電池出現(xiàn)故障，則支路接觸器可以對(duì)該支路進(jìn)行自動(dòng)隔離，不影響機(jī)車運(yùn)行。隔離開(kāi)關(guān)用于高壓柜內(nèi)設(shè)備檢修時(shí)的電氣隔離，斷開(kāi)蓄電池組正負(fù)極電源，確保人身安全。二極管可以防止各支路蓄電池由于電壓一致性差異造成的相互間充電現(xiàn)象，同時(shí)保證蓄電池牽引工況下，機(jī)車再生制動(dòng)的能量經(jīng)充電機(jī)后向蓄電池充電（從圖3中點(diǎn)位3輸入），而不會(huì)直接向蓄電池充電（由于二極管的反向截止，不會(huì)從圖3中的點(diǎn)位1輸入）；此時(shí)，直流高速斷路器（HSCB）和主接觸器均保持在閉合位。

（3）正常操作及故障保護(hù)

主回路熔斷器用于負(fù)載側(cè)的電纜及設(shè)備的短路保護(hù)；直流高速斷路器（HSCB）主要作為牽引變流器的保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)變流器內(nèi)部發(fā)生緊急故障時(shí)，能夠迅速隔離電源，避免故障擴(kuò)大；主接觸器用于蓄電池牽引和接觸網(wǎng)牽引兩種工況的電路正常轉(zhuǎn)換時(shí)的分合操作，這樣可以大幅減少直流高速斷路器（HSCB）分合的動(dòng)作頻率，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

5.3 蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）

對(duì)于高功率、大容量的鋰離子電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）是必不可少的。雙源制電力機(jī)車的BMS系統(tǒng)主要完成下列功能：電池組內(nèi)單體電芯電壓檢測(cè)、充放電電流檢測(cè)、環(huán)境溫度檢測(cè)、高壓絕緣檢測(cè)、電池組的SOC等參數(shù)的計(jì)算；進(jìn)行故障分析、與機(jī)車中央控制單元（CCU）信息交換；對(duì)電芯進(jìn)行均衡，與機(jī)車的牽引、充電控制系統(tǒng)一起，防止蓄電池組出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、超溫、過(guò)流等問(wèn)題，提高蓄電池單體間的一致性，保證工作安全及延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

（1）BMS系統(tǒng)電氣架構(gòu)和功能說(shuō)明

整車牽引蓄電池組的BMS系統(tǒng)電氣架構(gòu)由8個(gè)子系統(tǒng)（每條蓄電池支路做為1個(gè)子系統(tǒng)）和3層管理單元構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 BMS系統(tǒng)電氣架構(gòu)圖

第1層是子系統(tǒng)電池管理模塊CMU（Cell Man-agement Unit）和高壓管理模塊 HMU（High-voltage Management Unit）組成。每個(gè)CMU可以管理16個(gè)單體蓄電池，即2個(gè)電池模塊，每個(gè)子系統(tǒng)共有15個(gè)CMU模塊。該模塊的功能主要有與該子系統(tǒng)的BMU通訊；單體電池電壓測(cè)量及數(shù)據(jù)上報(bào)；模塊溫度測(cè)量及數(shù)據(jù)上報(bào)；執(zhí)行由BMU下達(dá)的充電均衡命令。每個(gè)HMU管理一個(gè)子系統(tǒng)，HMU模塊功能主要包括：與該子系統(tǒng)的BMU通訊；該子系統(tǒng)總電壓、電流測(cè)量及絕緣電阻實(shí)時(shí)檢測(cè)及數(shù)據(jù)上報(bào)。

第2層是子系統(tǒng)主控BMU模塊（Battery Management Unit），每個(gè)BMU管理該子系統(tǒng)的1個(gè)HMU和15個(gè)CMU，BMU模塊功能主要包括：與CBMU進(jìn)行CAN總線通訊；根據(jù)HMU、CMU上傳信息，計(jì)算本子系統(tǒng)的SOC、SOH及最大可允許充放電電流，分析其故障狀態(tài)及信息上報(bào)；上傳溫度、電壓、電流、絕緣電阻等數(shù)據(jù)；執(zhí)行子系統(tǒng)電池組正極接觸器分合控制；控制各子系統(tǒng)工作電源功率，使得在非工作狀態(tài)下，電池均衡完畢后，進(jìn)入低功耗模式；均衡功能的控制及均衡目標(biāo)值的計(jì)算等功能。

第3層是整車蓄電池組系統(tǒng)CBMU模塊（Center Battery Management Unit），其主要功能包括：按照約定通訊協(xié)議與機(jī)車CCU進(jìn)行總線通訊，接受CCU發(fā)出的BMS系統(tǒng)上電運(yùn)行指令，各子系統(tǒng)蓄電池正極的接觸器分合指令；系統(tǒng)自檢功能管理；并上傳下列主要信息：與各子系統(tǒng)的BMU進(jìn)行通訊；各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)；系統(tǒng)內(nèi)的單體電池電壓極值；電池模塊溫度極值；各子系統(tǒng)的絕緣電阻和SOC極值；系統(tǒng)總SOC值；各子系統(tǒng)電流值；相應(yīng)參數(shù)的位置號(hào)；系統(tǒng)故障信息；實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控DTU進(jìn)行485通訊功能，發(fā)送電池單體和電池模塊的信息。

BMS系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)CAN2.0總線通訊，與機(jī)車CCU之間通過(guò)MVB-CAN轉(zhuǎn)換器RCM實(shí)現(xiàn)。

（2）BMS主要技術(shù)參數(shù)

6 機(jī)車輔助電氣系統(tǒng)

機(jī)車輔助電氣系統(tǒng)包括輔助電源和輔助負(fù)載，其任務(wù)是保證機(jī)車主傳動(dòng)電路、控制電路、風(fēng)源系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備的正常工作。輔助電氣系統(tǒng)主要由輔助逆變器、輔助變壓器、濾波電容、輔助電動(dòng)機(jī)以及接觸器、自動(dòng)開(kāi)關(guān)等設(shè)備組成。輔助負(fù)載包括：牽引風(fēng)機(jī)、牽引變壓器風(fēng)機(jī)、油泵、牽引變流器風(fēng)機(jī)、牽引蓄電池風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、控制蓄電池充電機(jī)、380V／230V變壓器等。

機(jī)車采用一套輔助逆變器電源，按照CVCF方式工作。其輸出三相電源經(jīng)輔助變壓器和并聯(lián)電容組成的隔離、降壓、濾波電路后，向機(jī)車的輔助負(fù)載供電。輔助電路電壓為3AC380V±5%，50Hz。輔助負(fù)載中的380V／230V變壓器，主要提供取暖和加熱電源。

在牽引風(fēng)機(jī)和牽引變壓器風(fēng)機(jī)的供電電路中增加了接觸器，按照溫度控制的原則進(jìn)行投切。這樣做，一方面是考慮降低輔機(jī)能耗，另一方面是為了降低噪聲，例如當(dāng)機(jī)車在接觸網(wǎng)下長(zhǎng)時(shí)間靜止待機(jī)工況和向牽引蓄電池充電時(shí)，牽引風(fēng)機(jī)可以停止運(yùn)行，減輕噪聲污染。

7 結(jié)束語(yǔ)

交流傳動(dòng)的雙源制調(diào)車電力機(jī)車是一種新能源調(diào)車機(jī)車，其主輔傳動(dòng)電路借鑒成熟可靠的“和諧型”大功率交流傳動(dòng)機(jī)車電路，并結(jié)合車載動(dòng)力鋰電池的特點(diǎn)和調(diào)車機(jī)車工況進(jìn)行設(shè)計(jì)；機(jī)車的牽引電源以電網(wǎng)為主，蓄電池為輔，對(duì)于電網(wǎng)較為普及的站場(chǎng)或線路有很好的適應(yīng)性。隨著國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展和蓄電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，雙源制調(diào)車電力機(jī)車有著更大的應(yīng)用空間。

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