高可靠性補償式鐵路凈化電源系統設計

張巴圖，槐博超，

高可靠性補償式鐵路凈化電源系統設計

張巴圖1，槐博超2，

（1. 神華準能集團有限責任公司科學技術研究院，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2. 武漢長海高新技術有限公司，武漢 430000）

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

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、經濟發展戰略意義重大，從用電類別角度，電氣化鐵路供電系統包括牽引供電系統和鐵路電力系統，分別采用單相27.5 kV電制和三相10 kV電制。

鐵路電力系統用電負荷分為區間通信、信號、照明等貫通線供電的負荷、車站供電負荷、機車車輛檢修所負荷等，供電質量和可靠性要求高[1]。

鐵路電力系統三相10 kV電源傳統上有兩種獲取手段，一是從兩牽引變壓器二次側取兩路單相27.5 kV電源，經兩相/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供電。

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

此外，鐵路電力系統的建設、管理涉及電力、鐵路、地方規劃、市政等諸多部門及相關企業，存在供電方案協調、報批、城市規劃諸多影響因素，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的距離遠，地方電網弱，為實現穩定可靠供電由地方電網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、設備、人力投入。

鑒于以上原因，近年來業內開始研究從牽引接觸網取電，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自身的電能質量問題和動力網與電力網電制差異，基于電力電子技術的凈化電源裝置（系統）成為必然選擇。

1 鐵路電力網的特殊問題

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

目前，已知的鐵路電力網供電容量在1 MVA～4 MVA之間，鐵路電力網自閉線、站饋用電支路眾多，通過調壓器為貫通線沿線的通信、信號、照明、風機等負荷供電，負荷種類多、隨機性強，設置復雜的互聯、旁路開關裝置以滿足雙電源切換、越區供電等要求。各配電支路根據需要動態投切，配電變壓器、調壓器空載直投，甚至是帶載直投，變壓器勵磁涌流極易觸發電力電子裝置保護甚至是設備損壞導致供電中斷。傳統的勵磁涌流抑制方法，諸如串聯阻抗限流法、變壓器預充磁法、降壓軟啟法從本質上都是在投入時刻降低了配電變壓器、調壓器一次側的電壓，存在已供電負荷失電風險，且帶來了巨大的設備投入；分相合閘法、控制合閘相位角法也因開關裝置型式和動作時間的隨機性等原因在工程上無法實現[3]。

2 已有解決方案

2.1 高壓級聯全功率變流方案

圖1 方案一原理圖

文獻[4]和文獻[5]提出一種基于高壓級聯全功率變流方案（以下稱為“方案一”），如圖1所示。單相27.5 kV牽引接觸網電源經開關裝置接單相多繞組變壓器T1一次側。T1二次側共包含3n個單相交流繞組（n為串聯支路數），電源變換器采用串聯單元多電平拓撲（CCMC），每相電壓由n個基本功率單元串聯組成。通過對IGBT逆變橋進行SPWM調制，得到正弦的單相交流輸出，經輸出濾波器后輸出高質量的正弦電壓。該拓撲與級聯型通用高壓變頻器類似，不同之處在于，高壓級聯變頻器功率單元為三相二極管整流拓撲，多繞組變壓器為三相錯相結構；而方案一中的功率單元為單相二極管整流拓撲，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撲，逆變為單相IGBT H橋拓撲，直流環節包括共模電壓抑制阻容網絡、支撐電容及均壓電阻，在高可靠性應用場合串聯單元數量往往在最小需求數量基礎上增加1～2個，單元逆變輸出側需配置旁路接觸器，當功率單元失能時，通過旁路接觸器實現功率單元旁路功能。該方案主回路拓撲采用低壓級聯方案，無公共直流母線對稱結構，可利用低壓器件構成的功率單元實現高壓輸出；輸出電平數多，輸出諧波失真小。

圖2 方案一功率單元原理

不利之處在于，系統復雜，旁路接觸器動作時間一般在幾十到100毫秒，且存在隨機性，工程應用可靠性差；整流拓撲為多組同相單相二極管，功率因數低，諧波大，直流脈動大，整流比隨負荷率變化大，這直接導致兩個結果：其一，凈化電源裝置的非線性負載特性會惡化牽引接觸網的電能質量問題；其二，為了適應牽引接觸網的寬電壓范圍，電壓配合必須按鐵路牽引供電網最大電壓確定，一般取31 kV，每相功率單元串聯數明顯增多；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。統一規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撲。系統的復雜程度大大增加，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[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構，一個整流單元同時為三個單相H橋供電。三個H橋對應升壓變壓器的三個低壓繞組，通過控制實現一次互差120°的相位和電壓控制，經變壓器升壓后構成三相Y接10 KV電源，再經濾波器為負荷供電。該方案結構簡便，易控可靠；可方便的實現容量擴展，通過增加變流器組數、變壓器T1二次繞組數、變壓器T2一次繞組數可以方便的實現容量擴展；不同組別的對應相采用載波移相技術，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，帶不平衡負載能力強。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 高可靠性補償方案

3.1 系統方案

針對上述兩方案的不足，提出一種基于兩相/三相變壓器和串聯耦合變壓器的補償方案（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，供電相上串聯單相耦合變壓器一次側（高壓），變流器采用四象限PWM整流、共直流母線、H橋逆變方案，逆變側三組H橋分別接三臺耦合變壓器的二次側（低壓）。實時檢測10 kV線路電壓，當實際輸出電壓偏低時，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，使輸出電壓達標；當實際輸出電壓偏高時，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，使輸出電壓達標；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行抵消。

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

圖4 方案原理圖

補償式凈化電源裝置從牽引變壓器副邊（接觸網電源）取電，經過穩壓調節、濾波等凈化處理，消除接觸網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、電壓諧波等電能質量問題，得到穩定的三相10 kV電源。該裝置可提供高質量純正弦波電壓輸出，其輸出電壓不受牽引負荷波動、諧波等影響，電能質量特性滿足國家電力及鐵路相關標準。

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，共直流母線結構。

與二極管整流拓撲相比，PWM三相整流橋和H橋拓撲提供了雙向能量通道，使得相電壓獨立雙向補償成為了可能，可有效解決10 kV電網的電壓升、電壓降、三相不平衡問題，直流母線電壓穩定、電壓利用率高。獨特的分組共直流母線結構，可采用同一規格的功率單元實現更大容量裝置的，只需將動力變壓器二次低壓繞組增加一組、將補償變壓器二次低壓側繞組增加一組、變流器采用同規格的兩路即可實現容量的成倍擴展，這一結構最大程度上實現了系統解耦和產品模塊化，實現了冗余供電，將傳統的串聯可靠性模型變為并聯可靠性模型，供電可靠性大大提高。控制策略采用獨立相電壓閉環控制，通過實時比較目標相電壓波形和實際相電壓波形，控制單相逆變橋輸出電壓的波形、相位和幅值實現閉環調節，控制結構簡單、響應快、穩定性好。低壓補償回路的存在使得電壓檢測可以從低壓側獲取，客觀上降低了裝置的電氣風險。

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

本方案變流器故障退出時，耦合變壓器呈現電流互感器特性，其繞組儲存的能量經逆變H橋IGBT的反并聯二極管構成的整流電路向支撐電容充電，電容電壓上升率與負載電流、線路阻抗和支撐電容容值相關。仿真和實踐結果表明，如不采取措施，直流母線電壓已5～10 V/ms的速率上升，危及設備安全。因此，在耦合變壓器二次側設置快速短接開關，動作時間要求能在20 ms內，不失一般性，可采用快速接觸器和晶閘管反并聯閥組，這兩種方式在工程實踐中均有應用。誠然，該快速短接開關也可設置在耦合變壓器一次側，應在一次側串聯接入10 kV供電線路，器件電壓等級需按10 kV選型，從成本和技術成熟度考慮，推薦在二次低壓側使用快速接觸器。

3.5 儲能裝置

本方案在10 kV輸出側設置升壓變壓器，儲能裝置通過PCS裝置接變壓器二次側（低壓），可實現主電源失電時的秒級支撐，為二三級負荷開關裝置切除留出動作時間，只為一級負荷供電。系統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，儲能裝置放電經該二次繞組、10 kV繞組為負載供電。

4 方案比較

表1 方案比較

5 結束語

針對電氣化鐵路三相10 kV電力系統供電方案，提出了一種高可靠性補償式鐵路凈化電源系統方案。利用交直交電力電子變換裝置和串聯補償耦合變壓器對牽引供電網電源進行凈化和補償，解決牽引供電網電能質量和可靠性問題，為鐵路電力系統提供高可靠性高質量供電。相比之下，具有供電可靠性高、對牽引動力網影響小、模塊化程度高、冗余供電便利、簡單易控等優點，相關產品在工程實踐中應用良好，具有極高的經濟、社會效益和推廣價值。

[1] 趙欣. 客運專線鐵路電力變配電所電源方案研究[J].鐵道工程學報, 2011（4）: 71-74+119

[2] 李群湛等. 電氣化鐵路供電系統及其電能質量控制技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2015

[3] 孫厚濤, 伍迪, 駱健等. 港口岸電變頻電源涌流分析與抑制方法研究[J]. 水道港口, 2019, 10 （40） No.5: 556-564

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[5] 丁福太. 27.5/10 kV鐵路凈化電源裝置的工程應用[J]. 電氣化鐵道, 2020(01): 41-43

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[7] TB10008-2015 鐵路電力設計規范[S]. 國家鐵路局, 2015年12月23日發布

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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。E-mail: huaibc@163.com