高可靠性補(bǔ)償式鐵路凈化電源系統(tǒng)設(shè)計

張巴圖，槐博超，

高可靠性補(bǔ)償式鐵路凈化電源系統(tǒng)設(shè)計

張巴圖1，槐博超2，

（1. 神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2. 武漢長海高新技術(shù)有限公司，武漢 430000）

鐵路電力系統(tǒng)普遍采用三相10 kV 50 Hz供電制，承擔(dān)著鐵路電力自閉線、貫通線、站饋線等重要負(fù)荷供電重任，一二級負(fù)荷多，供電質(zhì)量要求高。傳統(tǒng)供電方式存在電能質(zhì)量差、供電可靠性低、建設(shè)管理成本高、資源浪費(fèi)等問題。本文提出了一種高可靠性補(bǔ)償式鐵路凈化電源系統(tǒng)方案，利用交直交電力電子變換裝置和串聯(lián)耦合變壓器對牽引供電網(wǎng)電源進(jìn)行凈化和補(bǔ)償，解決牽引供電網(wǎng)電能質(zhì)量和可靠性問題。

鐵路電力 凈化電源 27.5 kV/10 kV 高可靠性 儲能

0 引言

電氣化鐵路在國家總體安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略意義重大，從用電類別角度，電氣化鐵路供電系統(tǒng)包括牽引供電系統(tǒng)和鐵路電力系統(tǒng)，分別采用單相27.5 kV電制和三相10 kV電制。

鐵路電力系統(tǒng)用電負(fù)荷分為區(qū)間通信、信號、照明等貫通線供電的負(fù)荷、車站供電負(fù)荷、機(jī)車車輛檢修所負(fù)荷等，供電質(zhì)量和可靠性要求高[1]。

鐵路電力系統(tǒng)三相10 kV電源傳統(tǒng)上有兩種獲取手段，一是從兩牽引變壓器二次側(cè)取兩路單相27.5 kV電源，經(jīng)兩相/三相變壓器供電；二是由地方供電公司提供三相10 kV供電。為保證供電可靠性，一般采用雙電源冗余供電，兩路電源中至少一路由地方電力網(wǎng)供電。

我國電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)為單相工頻交流電制，額定電壓27.5 kV，大功率電力機(jī)車和動車組這一單相非線性負(fù)荷，具有較強(qiáng)的波動性和隨機(jī)性，對電力系統(tǒng)產(chǎn)生電壓暫降/暫升、諧波、負(fù)序、功率因數(shù)等不良影響[2]。以電壓指標(biāo)為例，GB/T 1402標(biāo)稱25 kV的牽引供電系統(tǒng)最高持續(xù)電壓27.5 kV、最高非持續(xù)電壓29 kV、最高長時限過電壓38.75 kV、最低持續(xù)電壓19 kV、最低非持續(xù)電壓17.5 kV。直接通過變壓器變換供應(yīng)的鐵路電力系統(tǒng)10 kV電源不滿足供電電壓±7%的偏差要求。在電能質(zhì)量方面也越來越難以滿足鐵路電力負(fù)荷的需要，且占用牽引負(fù)荷容量，不符合動力網(wǎng)和電力網(wǎng)解耦的發(fā)展趨勢。

此外，鐵路電力系統(tǒng)的建設(shè)、管理涉及電力、鐵路、地方規(guī)劃、市政等諸多部門及相關(guān)企業(yè)，存在供電方案協(xié)調(diào)、報批、城市規(guī)劃諸多影響因素，很難做到資源的集約利用。特別是西部，鐵路變配電所與城市電網(wǎng)的距離遠(yuǎn)，地方電網(wǎng)弱，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠供電由地方電網(wǎng)提供一路甚至兩路長距離10 kV專線成為不得不采取的艱難選擇，帶來極大的土地、設(shè)備、人力投入。

鑒于以上原因，近年來業(yè)內(nèi)開始研究從牽引接觸網(wǎng)取電，通過電力變換提供三相10 kV供電的供電方式。鑒于鐵路牽引供電網(wǎng)自身的電能質(zhì)量問題和動力網(wǎng)與電力網(wǎng)電制差異，基于電力電子技術(shù)的凈化電源裝置（系統(tǒng)）成為必然選擇。

1 鐵路電力網(wǎng)的特殊問題

牽引變電所是鐵路牽引供電系統(tǒng)的心臟，主要任務(wù)是變壓和分相，即將地方電力系統(tǒng)提供的兩路互為備用的110 kV（220 kV）三相工頻交流電經(jīng)牽引變壓器變換為25 kV或2×25 kV的單相交流電饋送給牽引接觸網(wǎng)。受電力機(jī)車、動車組運(yùn)行影響，鐵路牽引供電網(wǎng)存在電壓暫升、電壓暫降、諧波、負(fù)序、功率因數(shù)等電能質(zhì)量問題，尚無成熟解決方案。

目前，已知的鐵路電力網(wǎng)供電容量在1 MVA～4 MVA之間，鐵路電力網(wǎng)自閉線、站饋用電支路眾多，通過調(diào)壓器為貫通線沿線的通信、信號、照明、風(fēng)機(jī)等負(fù)荷供電，負(fù)荷種類多、隨機(jī)性強(qiáng)，設(shè)置復(fù)雜的互聯(lián)、旁路開關(guān)裝置以滿足雙電源切換、越區(qū)供電等要求。各配電支路根據(jù)需要動態(tài)投切，配電變壓器、調(diào)壓器空載直投，甚至是帶載直投，變壓器勵磁涌流極易觸發(fā)電力電子裝置保護(hù)甚至是設(shè)備損壞導(dǎo)致供電中斷。傳統(tǒng)的勵磁涌流抑制方法，諸如串聯(lián)阻抗限流法、變壓器預(yù)充磁法、降壓軟啟法從本質(zhì)上都是在投入時刻降低了配電變壓器、調(diào)壓器一次側(cè)的電壓，存在已供電負(fù)荷失電風(fēng)險，且?guī)砹司薮蟮脑O(shè)備投入；分相合閘法、控制合閘相位角法也因開關(guān)裝置型式和動作時間的隨機(jī)性等原因在工程上無法實(shí)現(xiàn)[3]。

2 已有解決方案

2.1 高壓級聯(lián)全功率變流方案

圖1 方案一原理圖

文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]提出一種基于高壓級聯(lián)全功率變流方案（以下稱為“方案一”），如圖1所示。單相27.5 kV牽引接觸網(wǎng)電源經(jīng)開關(guān)裝置接單相多繞組變壓器T1一次側(cè)。T1二次側(cè)共包含3n個單相交流繞組（n為串聯(lián)支路數(shù)），電源變換器采用串聯(lián)單元多電平拓?fù)洌–CMC），每相電壓由n個基本功率單元串聯(lián)組成。通過對IGBT逆變橋進(jìn)行SPWM調(diào)制，得到正弦的單相交流輸出，經(jīng)輸出濾波器后輸出高質(zhì)量的正弦電壓。該拓?fù)渑c級聯(lián)型通用高壓變頻器類似，不同之處在于，高壓級聯(lián)變頻器功率單元為三相二極管整流拓?fù)洌嗬@組變壓器為三相錯相結(jié)構(gòu)；而方案一中的功率單元為單相二極管整流拓?fù)?，多繞組變壓器所有二次繞組同相位。

基本功率單元原理圖如圖2所示，整流為二極管不控整流拓?fù)洌孀優(yōu)閱蜗郔GBT H橋拓?fù)?，直流環(huán)節(jié)包括共模電壓抑制阻容網(wǎng)絡(luò)、支撐電容及均壓電阻，在高可靠性應(yīng)用場合串聯(lián)單元數(shù)量往往在最小需求數(shù)量基礎(chǔ)上增加1～2個，單元逆變輸出側(cè)需配置旁路接觸器，當(dāng)功率單元失能時，通過旁路接觸器實(shí)現(xiàn)功率單元旁路功能。該方案主回路拓?fù)洳捎玫蛪杭壜?lián)方案，無公共直流母線對稱結(jié)構(gòu)，可利用低壓器件構(gòu)成的功率單元實(shí)現(xiàn)高壓輸出；輸出電平數(shù)多，輸出諧波失真小。

圖2 方案一功率單元原理

不利之處在于，系統(tǒng)復(fù)雜，旁路接觸器動作時間一般在幾十到100毫秒，且存在隨機(jī)性，工程應(yīng)用可靠性差；整流拓?fù)錇槎嘟M同相單相二極管，功率因數(shù)低，諧波大，直流脈動大，整流比隨負(fù)荷率變化大，這直接導(dǎo)致兩個結(jié)果：其一，凈化電源裝置的非線性負(fù)載特性會惡化牽引接觸網(wǎng)的電能質(zhì)量問題；其二，為了適應(yīng)牽引接觸網(wǎng)的寬電壓范圍，電壓配合必須按鐵路牽引供電網(wǎng)最大電壓確定，一般取31 kV，每相功率單元串聯(lián)數(shù)明顯增多；其三功率單元支撐電容容值要求大。此方案輸出不隔離，短路容量大，且模塊化是有局限性的。統(tǒng)一規(guī)格的模塊覆蓋的容量范圍窄，如果非要一款單元滿足1 MVA～4 MVA的容量要求，必須采用相電壓又串又并的拓?fù)?。系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大增加，可靠性大大下降。

2.2 變壓器耦合高低高全功率變流方案

如圖3所示，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于H橋逆變和變壓器耦合方案（以下稱為“方案二”）。此方案采用單相整流變壓器，將牽引供電網(wǎng)單相27.5 kV電源變換為低壓單相交流電。變流器采用分組共直流母線結(jié)構(gòu)，一個整流單元同時為三個單相H橋供電。三個H橋?qū)?yīng)升壓變壓器的三個低壓繞組，通過控制實(shí)現(xiàn)一次互差120°的相位和電壓控制，經(jīng)變壓器升壓后構(gòu)成三相Y接10 KV電源，再經(jīng)濾波器為負(fù)荷供電。該方案結(jié)構(gòu)簡便，易控可靠；可方便的實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展，通過增加變流器組數(shù)、變壓器T1二次繞組數(shù)、變壓器T2一次繞組數(shù)可以方便的實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展；不同組別的對應(yīng)相采用載波移相技術(shù)，可有效降低輸出電壓諧波；不同組別的功率單元之間電氣上完全隔離，冗余性好，供電可靠性高。相電壓對立控制，帶不平衡負(fù)載能力強(qiáng)。與方案一類似，抗配電變壓器直流勵磁涌流能力差。

圖3 方案二原理圖

3 高可靠性補(bǔ)償方案

3.1 系統(tǒng)方案

針對上述兩方案的不足，提出一種基于兩相/三相變壓器和串聯(lián)耦合變壓器的補(bǔ)償方案（以下稱為“本方案”），如圖4為某牽引變電所用2 MVA裝置（輸入電壓范圍19 kV～31 kV）。

動力變壓器從牽引供電所兩牽引變壓器二次側(cè)取電，將2路單相27.5 kV電源變換為三相10 kV和3相630 V電源，容量分別為1.5 MVA和630 kVA。其中10 kV輸出為主輸出，供電相上串聯(lián)單相耦合變壓器一次側(cè)（高壓），變流器采用四象限PWM整流、共直流母線、H橋逆變方案，逆變側(cè)三組H橋分別接三臺耦合變壓器的二次側(cè)（低壓）。實(shí)時檢測10 kV線路電壓，當(dāng)實(shí)際輸出電壓偏低時，變流器輸出與10 kV同相位的電壓，通過耦合變壓器與10 kV主電源疊加，使輸出電壓達(dá)標(biāo)；當(dāng)實(shí)際輸出電壓偏高時，變流器輸出與10 kV存在一定相位差的電壓，通過耦合變壓器與10 kV疊加，使輸出電壓達(dá)標(biāo)；對于10 kV線路中存在的諧波，變流器輸出一個反向的電壓進(jìn)行抵消。

變流器故障退出時，斷開變流器輸入輸出側(cè)的檢修開關(guān)，同時閉合耦合變壓器二次側(cè)的快速短接開關(guān)，由動力變壓器的10 kV副邊繞組直接給供電，保證負(fù)載不間斷供電。變流器只需要補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的偏差、畸變和與目標(biāo)電壓波形相差部分（缺損電壓/超額電壓），而大部分能量還是直接由電網(wǎng)提供給負(fù)載。短路容量小、造價低、供電可靠性高，系統(tǒng)效率高。

圖4 方案原理圖

補(bǔ)償式凈化電源裝置從牽引變壓器副邊（接觸網(wǎng)電源）取電，經(jīng)過穩(wěn)壓調(diào)節(jié)、濾波等凈化處理，消除接觸網(wǎng)電源固有的電壓跌落、突升、突降、過電壓、欠電壓、電壓波動、三相電壓不平衡、電壓諧波等電能質(zhì)量問題，得到穩(wěn)定的三相10 kV電源。該裝置可提供高質(zhì)量純正弦波電壓輸出，其輸出電壓不受牽引負(fù)荷波動、諧波等影響，電能質(zhì)量特性滿足國家電力及鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 變流器方案

如圖5所示，變流器主要組成部分包括LCL進(jìn)線濾波器、PWM整流單元、H橋逆變功率組件、LC濾波電路，共直流母線結(jié)構(gòu)。

與二極管整流拓?fù)湎啾龋琍WM三相整流橋和H橋拓?fù)涮峁┝穗p向能量通道，使得相電壓獨(dú)立雙向補(bǔ)償成為了可能，可有效解決10 kV電網(wǎng)的電壓升、電壓降、三相不平衡問題，直流母線電壓穩(wěn)定、電壓利用率高。獨(dú)特的分組共直流母線結(jié)構(gòu)，可采用同一規(guī)格的功率單元實(shí)現(xiàn)更大容量裝置的，只需將動力變壓器二次低壓繞組增加一組、將補(bǔ)償變壓器二次低壓側(cè)繞組增加一組、變流器采用同規(guī)格的兩路即可實(shí)現(xiàn)容量的成倍擴(kuò)展，這一結(jié)構(gòu)最大程度上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)解耦和產(chǎn)品模塊化，實(shí)現(xiàn)了冗余供電，將傳統(tǒng)的串聯(lián)可靠性模型變?yōu)椴⒙?lián)可靠性模型，供電可靠性大大提高?？刂撇呗圆捎锚?dú)立相電壓閉環(huán)控制，通過實(shí)時比較目標(biāo)相電壓波形和實(shí)際相電壓波形，控制單相逆變橋輸出電壓的波形、相位和幅值實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好。低壓補(bǔ)償回路的存在使得電壓檢測可以從低壓側(cè)獲取，客觀上降低了裝置的電氣風(fēng)險。

圖4 變流器原理圖

3.3 勵磁涌流問題的解決

本方案配電變壓器直投勵磁涌流對電力電子裝置的影響遠(yuǎn)低于方案一和方案二，不考慮限流降壓措施，以2 MVA裝置半載運(yùn)行時饋出二支路500 kVA變壓器直投為例說明。

1）方案一：功率組件輸出側(cè)額定電壓450 V，額定電流為115.5 A，變壓器投入前工作電流57.7 A，變壓器合閘勵磁涌流289 A（變流支路額定電流的2.5倍），總輸出電流達(dá)組件額定電流的3倍。

分析可知，不采用限流降壓措施的前提下，為了滿足變壓器直投勵磁涌流工況，方案一和方案二功率組件電流規(guī)格至少提高2倍，方案三至多提高1倍即可。

3.4 快速短接開關(guān)

本方案變流器故障退出時，耦合變壓器呈現(xiàn)電流互感器特性，其繞組儲存的能量經(jīng)逆變H橋IGBT的反并聯(lián)二極管構(gòu)成的整流電路向支撐電容充電，電容電壓上升率與負(fù)載電流、線路阻抗和支撐電容容值相關(guān)。仿真和實(shí)踐結(jié)果表明，如不采取措施，直流母線電壓已5～10 V/ms的速率上升，危及設(shè)備安全。因此，在耦合變壓器二次側(cè)設(shè)置快速短接開關(guān)，動作時間要求能在20 ms內(nèi)，不失一般性，可采用快速接觸器和晶閘管反并聯(lián)閥組，這兩種方式在工程實(shí)踐中均有應(yīng)用。誠然，該快速短接開關(guān)也可設(shè)置在耦合變壓器一次側(cè)，應(yīng)在一次側(cè)串聯(lián)接入10 kV供電線路，器件電壓等級需按10 kV選型，從成本和技術(shù)成熟度考慮，推薦在二次低壓側(cè)使用快速接觸器。

3.5 儲能裝置

本方案在10 kV輸出側(cè)設(shè)置升壓變壓器，儲能裝置通過PCS裝置接變壓器二次側(cè)（低壓），可實(shí)現(xiàn)主電源失電時的秒級支撐，為二三級負(fù)荷開關(guān)裝置切除留出動作時間，只為一級負(fù)荷供電。系統(tǒng)對儲能裝置的要求是短時大功率，推薦采用飛輪儲能方式。

儲能接入的另一個方案是，在整流變壓器二次側(cè)增加一個繞組，儲能裝置從該繞組接入，27.5 kV失電后，儲能裝置放電經(jīng)該二次繞組、10 kV繞組為負(fù)載供電。

4 方案比較

表1 方案比較

5 結(jié)束語

針對電氣化鐵路三相10 kV電力系統(tǒng)供電方案，提出了一種高可靠性補(bǔ)償式鐵路凈化電源系統(tǒng)方案。利用交直交電力電子變換裝置和串聯(lián)補(bǔ)償耦合變壓器對牽引供電網(wǎng)電源進(jìn)行凈化和補(bǔ)償，解決牽引供電網(wǎng)電能質(zhì)量和可靠性問題，為鐵路電力系統(tǒng)提供高可靠性高質(zhì)量供電。相比之下，具有供電可靠性高、對牽引動力網(wǎng)影響小、模塊化程度高、冗余供電便利、簡單易控等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)產(chǎn)品在工程實(shí)踐中應(yīng)用良好，具有極高的經(jīng)濟(jì)、社會效益和推廣價值。

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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

張巴圖（1983-），男，高級工程師。主要從事電氣與電力電子技術(shù)。E-mail: huaibc@163.com