三相電流平衡控制裝置在鐵路動車所中的應用

劉卓輝

(中國鐵路設計集團有限公司, 天津 300251)

三相電流平衡控制裝置在鐵路動車所中的應用

劉卓輝

(中國鐵路設計集團有限公司, 天津 300251)

為提升動車組檢修效率,提出一種基于三相電流動態平衡控制的動車所地面電源裝置,用于向動車組提供地面檢修供電,以替代傳統的交-直-交電源。通過分析交-直-交電源在使用中存在的缺陷,以及造成這些缺陷的原因,提出使用三相負載電流的動態平衡調節技術使其達到平衡狀態,避免單相負載對動力變壓器及上級配電系統的影響,使負序電流不能進入高壓電網,使動力變壓器三相負載電流的動態平衡,并討論以三相電流動態平衡裝置為核心的動車運用所地面電源系統的設計。在動車運用所使用該技術可以簡化低壓配電設計,降低建設投資,統一不同用電制式動車組的供電設計。通過對樣機的測試,證實該技術能消除單相用電制式動車組所產生的負序電流。

動車組；動車運用所；地面電源；三相電流動態平衡

1 概述

經過十多年的建設發展，高鐵出行成為國民出行優選的交通方式。2016年年底我國高速鐵路運營里程達2.2萬km，高鐵線路規劃到2020年建成投產3萬km，到2025年達到3.8萬km[1]。

鐵路動車組運用維護規程規定了動車組在運行一定的公里數或小時數后必須進行計劃性預防檢修[2]。動車組的一、二級檢修通常在路局所轄動車運用所內完成，所內動車組地面電源用于動車組落弓檢修過程中向動車組提供外部檢修電源。《動車組運用檢修設施建設及設備配置標準》規定了動車運用所檢查庫每條檢查線須設置地面電源。每條檢查線地面電源兼容車型，依據檢修動車組車型及配屬各型動車組數量確定。

2 動車組列車對地面供電的要求

我國目前主要運營的動車組包括CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等型號。其中CRH2型動車組地面電源采用單相400V、50 Hz，其他型號動車組的地面供電電源為三相400V、50 Hz。有些在動車運用所要求每條股道都具有向上述任意一種型號動車組供電的能力，即每條股道可向動車組列車提供單相或三相電源[3]，如表1所示。

表1 各型動車組對地面電源的要求

工程設計方案一般是在動車運用所內設置地面電源專用變壓器向動車組供電。當向CRH2型動車組供電時，考慮到單相電流對動力變壓器及高壓電網的不利影響，不采用直接取用單相交流電的方式運行，而是設置交-直-交[4]整流逆變裝置將三相電變換為單相后再提供給動車組使用，其目的是保證動力變壓器三相輸出電流的平衡。

3 現有動車所地面電源的配置及存在的問題

一套完整的動車運用所地面電源系統一般由10 kV高壓開關柜、10/0.4 kV動力變壓器、整流逆變電源(動車所地面電源)裝置、400 V低壓開關柜和現場工業連接器等組成。

沿動車運用所內軌道橋(股道)兩側，在軌道橋下設置有若干地面電源插座箱(工業連接器級)，用于收納與動車組連接的電連接器及其尾部電纜，地面電源插座箱與動車所地面電源變配電設備之間通過母線槽或動力電纜聯通。

動車組檢修用電具有隨機性和間歇性的特點，在最大負荷時其用電量占動車運用所總配電容量的40%左右，因此動車組地面電源一般設置專用變壓器供電，不與庫內其他用電設備共用變壓器[5]。

現有動車組地面電源系統的設計主要有鋪設單相/三相雙路母線和鋪設一路母線通過雙路開關切換單相/三相兩種[6-9]。圖1及圖2是兩種典型的動車運用所地面電源系統供配電方式。

圖1 單相/三相切換的動車運用所地面電源系統

圖2 設置專用單相和三相電纜的動車運用所地面電源系統

圖1所示的動車運用所地面電源系統中，在單相交-直-交電源的輸入和輸出側并聯了切換開關。當軌道橋上待檢修動車組為CRH1、CRH3、CRH5型時，旁路開關閉合，交-直-交整流逆變電源停機，向地面電源插座箱提供三相電源；軌道橋上待檢修動車組為CRH2型時，交-直-交整流逆變電源啟動運行，旁路開關斷開，向地面電源插座箱提供單相電源。這樣就可以在同一條股道上分時檢修單相和三相兩種供電制式的動車組。沈陽北、長春西動車運用所采取這種供電模式。這種供電系統必須設置可靠的閉鎖裝置，使得倒閘操作與待通電車型匹配，絕對避免交-直-交整流逆變電源的輸出與電網并聯運行。隨著高速鐵路運輸量的增加，對動車運用所提出了不同車型可以同股道同時檢修的要求，顯然采用切換方式的供電模式不能滿足這種檢修要求。

圖2所示的動車運用所地面電源系統設置單相和三相兩套獨立的供電線路，可以同時對動車組列車提供單相和三相供電，最大程度保證了動車組檢修供電要求，滿足不同車型同股道同時檢修的要求，但由于地面設備需要雙套，也使得系統造價高昂。

儲罐所儲物料發生變化前，一定對待儲物料進行組份分析，評估新的物料可能對浮盤造成的影響或危害，防止可能出現的風險，擬定運行方案，定期進行浮盤運行情況檢查。同時對儲罐儲存物料的溫度、液位進行合理控制，防止因溫度變化導致油品黏度變化對浮盤運行形成影響。

在上述兩種供電系統中，都使用了三相變單相的交-直-交整流逆變靜變電源，其單臺功率通常不小于300 kVA。靜變電源的使用避免了向CRH2型車通電時動力變壓器輸出電流不平衡問題。在動車運用所內，靜變電源大多數時間處于空載運行狀態或小電流輸出狀態，綜合能源損耗大。需要配置功率較大的溫控裝置，進一步加劇了能源消耗。

綜上所述，現有動車運用所地面電源系統存在的問題為：

(1)常用的兩種配電模式不能同時兼顧檢修效率和設備造價；

(2)設備本身及附加溫控的損耗大。

4 基于三相電流動態平衡控制的新型動車組地面電源

現有及未來動車組(CR400型)的供電制式為單相400V或三相400V，只要能解決單相制式動車組用電時動力變壓器輸出電流不平衡的問題，就可以使用同一根供電電纜向不同型號的動車組供電，滿足不同型號動車組列車同股道同時通電的檢修要求。

三相電流動態平衡控制裝置通過對動力變壓器輸出電流的實時控制，實現在任意負載下及其負載變化過程中，動力變壓器三相輸出電流均處于平衡狀態，剩余容量還可以用來控制動力變壓器輸出側功率因數，并對低次諧波電流有抑制作用[10]-11]，非常適合用于解決動車組列車地面檢修供電的問題。

圖3 電路原理圖

三相電流動態平衡裝置的基本原理是三相自換相橋式電路經過電源開關連接到10/0.4 kV動力變壓器低壓側[12]，沿電流流動方向來看，接入點在負載之前。通過檢測動力變壓器輸出的三相電流和電壓，控制器計算三相電流正序有功電流分量，與動力變壓器三相輸出電流進行減法運算，根據計算結果調節三相自換相橋式電路的輸出電流，與負載電流疊加后，使動力變壓器三相輸出電流達到并維持在平衡狀態[13]。圖3所示為基于三相電流動態平衡裝置的新型動車組地面電源電路原理圖，其中所示電流方向為單相負載連接于B、C相時的狀態。此時，如三相電流動態平衡裝置不工作，則只有B、C相有電流；三相電流動態平衡裝置開始工作時，可以理解為從A相取得一部分電流，經過整流逆變后補充到B、C兩相，從而使得動力變壓器A相輸出電流增加，B、C兩相輸出電流減小，最終三相電流達到平衡狀態。

其中,φ1為基波電流相位；I為基波正序分量，其值為

5 新型動車運用所地面電源系統

使用三相電流動態平衡控制裝置構建動車運用所地面電源系統，可以實現不同型號動車組列車同股道同時維修的要求，系統結構如圖4所示。

圖4 動車組地面電源系統

相比傳統的動車運用所地面電源系統，使用三相電流動態平衡控制裝置后，使用一根輸出電纜即可實現向單相和三相用電制式的動車組同時供電，且不會造成動力變壓器三相輸出電流的不平衡。

三相電流動態平衡控制裝置在調節不平衡電流后的剩余容量可以用來補償負載無功，相應地動車所地面電源系統中可以減小電容柜容量或者直接取消電容柜，還可以用來濾除低次諧波電流(11次以下)[16]。

由于三相電流動態平衡控制裝置不存在變壓器和專門的整流電路，相比交-直-交整流逆變電源具有更高的效率、更低的發熱量，同時也使得溫控裝置容量得以減小。

6 測試情況

對使用三相電流動態平衡控制裝置的動車所地面電源進行帶載測試，圖5、圖6分別是單相線性負載、單相非線性負載連接在B、C相時的C電流波形。其中CH1為負載電流、CH2為三相電流動態平衡控制裝置輸出電流、CH3為動力變壓器輸出電流。

圖5波形表明三相電流動態平衡控制裝置的輸出電流與負載電流反向，兩者疊加后動力變壓器C相電流小于負載C相電流，表明不平衡電流得到抑制。動力變壓器輸出電流相位超前負載電流相位，表明三相電流動態平衡控制裝置能夠調節動力變壓器輸出側功率因數。

圖5 對不平衡電流的調節效果

圖6波形表明，三相電流動態平衡控制裝置輸出電流抵消了單相非線性負載的諧波電流，動力變壓器輸出電流較為平滑。三相電流動態平衡控制裝置C相輸出電流與負載C相電流的疊加使動力變壓器C相輸出電流小于負載C相電流，不平衡電流得到抑制。

圖6 對諧波電流的抑制效果

測試結果表明，三相電流動態平衡控制裝置可以有效控制不平衡電流，在純單相負載條件下，動力變壓器輸出電流不平衡度可控制在2%以內(三相電流的最大值與最小值之差與三相平均電流的比值)。在控制負載電流不平衡的同時可以調節負載功率因數，抑制負載電流諧波。

7 結語

通過對現有動車運用所地面電源系統及動車組列車地面檢修用電的要求進行分析，指出了以交-直-交整流逆變電源核心的地面電源系統存在性能與成本難以兼顧的缺點。本文提出使用三相電流動態平衡控制裝置替代交-直-交整流逆變電源作為動車組地面電源核心設備的設計方案，能夠解決實際使用需求與設備成本之間的矛盾，并具有諧波電流治理和負載功率因數調節的額外優點。本文還介紹了三相電流動態平衡控制裝置的基本電路和控制方式。

試驗數據和波形表明，基于三相電流動態平衡控制的動車所地面電源裝置，可以在負載電流不平衡時保證動力變壓器輸出電流處于平衡狀態，同時具有消除負載電流諧波和調節負載功率因數的效果。

本文所提出的設計方案能充分滿足動車組列車地面檢修要求，統一了不同用電制式動車組的地面供電電源系統設計，并具有建設成本低的優點。

[1] 國家發展和改革委員會，交通運輸部，中國鐵路總公司.發改基礎[2016]1536號 中長期鐵路網規劃[Z].北京:國家發展和改革委員會，交通運輸部，中國鐵路總公司，2016.

[2] 中國鐵路總公司.TG/CL 127—2013 鐵路動車組運用維修規程[S].北京:中國鐵道出版社，2013.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 12325—2008 電能質量供電電壓偏差[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4] 姚勤隆.電氣化鐵路信號供電交直交電源的選型探討[J].鐵道標準設計，2011(2):121-124.

[5] 鐵道部運輸局.運裝管驗[2010]815號 動車組運用檢修設施建設及設備配置標準[S].北京:鐵道部運輸局，2010.

[6] 李琳.鐵路動車檢修庫地面電源供電系統[J].鐵道標準設計，2011(3):103-106.

[7] 張偉.動車運用所設置動車組地面電源研究[J].鐵道勘測與設計，2007(3):42-45.

[8] 邢曉東.CRH動車組地面電源系統[J].鐵道車輛，2009(2):34-37.

[9] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50052—2009 供配電系統設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[10] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 12326—2008 電能質量電壓波動和閃變[S].北京：中國標準出版社，2009.

[11] 國家質量技術監督局.GB/T 14549—1993 電能質量公共電網諧波[S].北京：中國標準出版社，1994.

[12] 趙剛.靜止無功發生器在不平衡系統中的控制策略研究[J].電機電器，2012，31(19):38-42.

[13] 周恒逸.基于SVG調節配變三相不平衡電流的應用研究[J].高壓電器，2016，52(5):48-53.

[14] 黃國棟，楊仁剛，馮小明.三相不平衡負載無功補償方法的研究[J].電測與儀表，2011，48(4):23-26.

[15] 韓偉.基于復合預測的無差拍諧波電流跟蹤控[J].儀器儀表學報，2014，35(6):1425-1432.

[16] 劉聰.并聯型APF補償電壓源型非線性負載時諧波電流放大效應的研究[J].中國電機工程學報，2011，30(27):21-28.

Application of Three-phase Current Balance Control Device in Railway EMU Depot

LIU Zhuo-hui

(China Railway Design Corporation, Tianjin 300251, China)

In order to improve the overhaul efficiency of the bullet train, a new ground power supply unit based on three-phase current dynamic balance control is proposed to provide power supply for ground maintenance of high speed emus, instead of the conventional AC DC AC power supply. Through the analysis of the shortcomings of the existing traditional AC-DC-AC EMU ground power, and the causes of these defects, the dynamic balance using the three-phase load current regulation technology is put forward to reach the equilibrium state, avoid the single-phase load impact on power transformer and power distribution upper system. As a result, the negative sequence current can not enter the high voltage network, and the three-phase load current of the power transformer is balanced dynamically. The use of this technology can simplify the design of low voltage power distribution, reduce the construction investment, and unify the design of power supply for different power systems. The design scheme of the power system based on three-phase dynamic balancing device is discussed. The test of the prototype proves that the technology can completely eliminate the negative sequence current generated by the single-phase EMU.

EMU; EMU service depot; Ground power; Dynamic balance of three-phase current

1004-2954(2018)01-0119-04

2017-05-11；

2017-06-25

中國鐵路設計集團有限公司科技開發課題(721732)

劉卓輝(1979—)，男，高級工程師，2005年畢業于天津大學電力系統及其自動化專業，工學碩士，E-mail:liuzhuohui518@126.com。

U223.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201705110003