純電池動力電力機車輔助系統(tǒng)設計與應用

苑偉華，高升，裴冰

（中車永濟電機有限公司，陜西西安，710016）

0 引言

隨著全球向綠色、環(huán)保能源產(chǎn)業(yè)轉型的迫切需求，環(huán)保節(jié)能型機車受到世界各國青睞，新能源機車成為未來軌道交通行業(yè)一種新的發(fā)展趨勢。牽引輔助變流器作為電力機車的核心動力，其綠色、環(huán)保成為設計重要的因素之一。現(xiàn)有電力機車大都采用弓網(wǎng)供電的形式，該電路形式只適用于電氣化線路，具有一定的局限性。電力機車輔助系統(tǒng)一般都單獨從牽引主變壓器副邊取電，輔助系統(tǒng)很容易受到接觸網(wǎng)諧波和同一主變壓器上的牽引變流器的影響。由于輔助系統(tǒng)為整車設備如牽引冷卻系統(tǒng)、空氣壓縮機、空調機組等設備提供電源，對于列車電氣設備安全運行具有非常重要的作用[1]。

本文針對純電池動力電力機車介紹了一種牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)共直流母線的電路拓撲，該系統(tǒng)集成度高，綠色、環(huán)保，輔助系統(tǒng)具有電氣隔離、變壓、濾波等功能，本文從系統(tǒng)到各子部件介紹了電氣功能、理論計算、選型方法，最后通過仿真和試驗驗證了設計思路的合理性和可行性，該系統(tǒng)適用于新能源客貨通用機車電傳動系統(tǒng)，靈活性好。

1 系統(tǒng)概述

本文以某純電池動力機車為例，整車包含兩個牽引輔助變流柜，每個變流柜包含3 組牽引系統(tǒng)單元、3 組輔助系統(tǒng)單元，主電路拓撲見圖1。

圖1 牽引輔助變流柜主電路拓撲

每組牽引系統(tǒng)采用獨立軸控設計，軸功率為350kW；輔助系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)共用直流母線，輔助系統(tǒng)分為CVCF 和VVVF 兩種，每組額定輸出容量為175kVA 和95kVA。兩種輔助逆變器相互獨立，1 架牽引輔助變流柜的輔助逆變器采用CVCF 控制，為蓄電池充電機、空壓機、空調機組、水泵、動力電池冷卻風機、環(huán)控裝置、車體通風機、DC-DC 柜冷卻風機、生活用電等負載供電；2 架牽引輔助變流柜的輔助逆變器采用VVVF 控制，為牽引通風機、變流柜散熱風機供電。牽引輔助變流柜采用水冷+強迫風冷的混合冷卻方式進行散熱。

2 工作原理

2.1 主要技術參數(shù)

根據(jù)整車系統(tǒng)技術指標要求：整車由純動力電池供電，最大功率為1500kW；為保證牽引輔助變流柜設計一致性，CVCF 和VVVF 輔助系統(tǒng)額定容量統(tǒng)一按照175kVA 進行設計，輔助系統(tǒng)主要技術參數(shù)如表1 所示。

表1 輔助系統(tǒng)主要技術參數(shù)

2.2 輔助系統(tǒng)主電路設計

輔助系統(tǒng)主要包括輔助逆變器、輔助隔離變壓器、LC交流濾波器、電壓檢測回路、接地檢測回路等，輔助系統(tǒng)主電路拓撲見圖2。

圖2 輔助系統(tǒng)主電路拓撲

輔助系統(tǒng)正常工作時，通過DC-AC 變換將DC1450V 直流電變換為三相380V 交流電，輔助逆變器輸出端經(jīng)過輔助變壓器隔離降壓后，應用LC 濾波電路對輔助系統(tǒng)輸出端的高次諧波進行濾波，使輔助系統(tǒng)輸出三相正弦交流電供輔助負載使用[3]。

2.3 輔助逆變器設計

輔助逆變器經(jīng)過DC-AC 變換將直流母線DC1450V 變換為三相交流電，功率開關器件選型如下：

（1）輔助逆變功率模塊的中間直流母線電壓為DC 1450V，考慮到網(wǎng)壓波動及關斷過電壓，一般選擇IGBT 的額定電壓應大于1.5～2 倍的工作電壓，這里選用3300V電壓等級的IGBT 器件。

（2）輔助逆變功率模塊最大輸出電流為146A，電流峰值206.4A，按照標準輔助系統(tǒng)應具有1.1 倍的過載能力，考慮余量選用1000A 電流等級的IGBT 器件使用。

2.4 輔助隔離變壓器設計

輔助隔離變壓器的功能是對輔助系統(tǒng)進行電氣隔離和變壓。一方面避免了當輔助逆變器故障時，母線高壓對輔助負載的電壓沖擊，另一方面通過變壓實現(xiàn)輔助系統(tǒng)輸出電壓的需求。

根據(jù)輔助系統(tǒng)工作需求，中間直流母線電壓在波動范圍內(nèi)應均可輸出AC380V/50Hz 交流電供輔助負載使用，當中間直流母線電壓最低時仍能滿足輔助系統(tǒng)輸出性能，輔助逆變模塊輸出線電壓最大基波有效值為：

式中，UDCmin流母線最低電壓，取值1400V。

經(jīng)計算，Uo為90V，考慮逆變器調制以及成熟應用檢驗等因素，變壓器變比為760/380。輔助系統(tǒng)滿載工作時的最大容量為175kVA，考慮裕量變壓器容量選型為190kVA。為較好的抑制系統(tǒng)3n 次諧波電流，變壓器聯(lián)結組別選取Dyn11 形式。

2.5 LC 交流濾波電路設計

交流濾波電抗器與交流濾波電容構成LC 交流濾波器，對輔助逆變器輸出的三相交流電進行濾波，以滿足輔助系統(tǒng)輸出諧波≤5%的技術要求。

考慮到三相交流系統(tǒng)的對稱性，將三相LC 交流電路轉換為等效的單相電路，如圖3 所示。

圖3 逆變供電系統(tǒng)單相等效電路

根據(jù)時域分析法的基本原理，二階LC 濾波器的傳遞函數(shù)為：

式中：fL--LC 濾波器的諧振頻率；ωL--LC 濾波器的截止角頻率；Uo(s)--濾波器的輸出電壓；Ui(s)--濾波器的輸入電壓；S--拉普拉斯變換算子。

由于輔助逆變器的載波頻率fc較高，通常在幾kHz 以上，遠大于10 倍基波頻率，因而，fL選擇范圍為載波頻率的1/10～1/5[3]，即：

2.5.1 交流濾波電容設計

交流濾波電容應用于輔助逆變器交流輸出濾波電路，與交流濾波電感或變壓器次邊漏感構成LC 濾波器，對逆變器輸出的三相交流電壓平滑濾波，使之成為標準正弦波提供給負載。交流濾波電容選取從以下兩個方面考慮：

（1）電流選取

計算三相輸出相電壓為：

額定輸出電流為：

流過交流濾波電容的電流為：

根據(jù)電路原理可得交流濾波電容大小為：

式中：S--輸出容量；cosφ--功率因數(shù)（根據(jù)經(jīng)驗取0.85～0.92）；ω--輸出角頻率（2πf0Hz）；Uab線電壓；UaN相電壓。

（2）電壓選取

輸出線電壓Uab為交流，考慮1.1～1.2 倍余量，電容電壓大于(1.1～1.2)Uab。

交流濾波電容的選擇主要從以下幾方面考慮：

（1）三相交流濾波電容主要有星形結構和三角形結構2 種，機車和動車統(tǒng)型的輔助電路采用三角形結構；

（2）為了使得逆變器輸出交流電力品質達到要求，要求LC 濾波器的截止頻率應遠小于輸出交流中最低次諧波頻率，同時，又要遠大于基波頻率。由于逆變器的載波頻率較高，通常在幾kHz 以上，遠大于10 倍基波頻率，因而，選擇范圍為載波頻率的1/10～1/5；

（3）對于LC 的選型計算結果可以作為參考值，最終選型需要結合Matlab/Simulink 仿真結果進行驗證，同時結合實際輔助變流器的重量和體積需求在截止頻率不變的情況下可調整LC 參數(shù)；

（4）LC 參數(shù)的選取需要保證輕載時三相逆變輸出電流相對較小（這樣可以保證三相逆變IGBT損耗在輕載時較小），因此三相濾波電容參數(shù)應該盡量選取相對較小的容值。

2.5.2 交流濾波電抗器設計

濾波電感的大小為：

式中：ωL--截止角頻率。

以上對于LC 的選型計算結果可以作為參考值，最終選型需要結合Matlab/Simulink 仿真進行驗證，同時結合實際輔助變流柜的重量和體積需求在截止頻率選取的一定范圍內(nèi)對LC 參數(shù)進行調整。

LC 參數(shù)選定后，輔助直流母線取電電路形式中交流濾波電抗器一般都集成在輔助隔離變壓器中，利用變壓器漏感與交流濾波電容形成濾波電路，這種形式可提高系統(tǒng)的集成度，且該種形式已在大功率電力機車系統(tǒng)中有成熟應用經(jīng)驗。

交流濾波電抗器的選擇主要從以下幾方面考慮：

（1）輕量化設計

由于電力機車輔助濾波電路一般采用獨立濾波柜結構且配置獨立風機進行散熱，故濾波電路拓撲一般選用集成變壓器方式（濾波電抗器集成于變壓器結構），集成后可減小濾波電抗器體積、成本更低；分體式（濾波電抗器、變壓器分體結構）散熱面大，同等損耗下溫升更低。故可根據(jù)電力機車輕量化設計、成本、體積等需求進行綜合考慮。

（2）電壓總畸變率

輔助系統(tǒng)輸出電壓諧波畸變率要求＜5%。

①額定工況下，濾波參數(shù)LC 確定后需結合仿真驗證輸出電壓滿足系統(tǒng)諧波含量要求。

②輔助系統(tǒng)在運行過程中會出現(xiàn)輕載或者短時過載的工況，由電抗器自身電感電流特性，電抗器繞組上電流的變化會引起電感變化，系統(tǒng)要求在電感變化的情況下，仍能實現(xiàn)濾波，滿足輔助系統(tǒng)輸出電壓諧波含量≤5%的指標。

（3）諧振頻率選擇

LC 濾波電路的諧振頻率應遠小于輸出交流中最低次諧波頻率，同時，又要遠大于基波頻率。濾波回路諧振頻率選擇范圍為載波頻率的1/10～1/5，一般在150Hz～160Hz，可根據(jù)逆變器開關頻率以及諧波分布來調整。

（4）噪聲要求

根據(jù)國標，變流器產(chǎn)生的噪聲最大等級應符合N1（80dB(A)）等級，電抗器作為變流器子部件，應符合變流器技術要求。目前由于客戶對噪聲指標要求越來越嚴格的發(fā)展趨勢，結合現(xiàn)有電抗器應用情況，工頻條件下，噪聲指標統(tǒng)一按照不高于65 dB(A)要求。

（5）散熱條件

電抗器是具有較高發(fā)熱密度的部件，熱量需得到及時有效的散發(fā)。電抗器絕緣材料耐熱性能一般選擇H 級，標準大氣壓，環(huán)境溫度<40℃時，溫升要求一般為<130K。

3 仿真分析

整車由動力電池供電，動力電池輸出直流電經(jīng)整車上雙向DC/DC 充電機變換后傳輸至變流柜的輸入側，牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)共母線，根據(jù)牽引輔助變流柜實際電路拓撲，應用Matlab/Simulink 軟件搭建輔助系統(tǒng)仿真模型，對輔助系統(tǒng)輸入，輸出端及各關鍵部件電壓、電流進行仿真分析，通過仿真計算分析，驗證輔助系統(tǒng)可滿足整車對輔助系統(tǒng)性能要求。

3.1 輔助系統(tǒng)輸入電壓仿真分析

動力電池通過雙向DC/DC 給牽引輔助變流柜供電時，中間直流母線電壓峰－峰值(1427V,1464V)，母線紋波電壓峰－峰值37V，電壓紋波±1.3%，符合變流柜輸入電壓紋波≤±3%的指標。仿真波形見圖4～圖5。

圖4 牽引輔助變流柜母線電壓仿真波形

圖5 牽引輔助變流柜母線電壓紋波波形

3.2 輔助系統(tǒng)輸出電壓、電流仿真分析

如圖6 所示，當輔助系統(tǒng)滿載工作時，額定輸出容量為175kVA，輔助系統(tǒng)輸出電壓、電流波形為三相正弦波，為后級負載提供穩(wěn)定電源。

圖6 輔助系統(tǒng)輸出電壓、電流仿真波形

如圖7 所示，輔助系統(tǒng)輸出電壓值有效值為379.9V，輸出電壓諧波含量為1.51%，滿足整車系統(tǒng)對輔助輸出電壓諧波≤5%的技術要求。

圖7 輔助系統(tǒng)輸出電壓諧波分析

如圖8 所示，當輔助系統(tǒng)輸出電流值有效值為165.8A，輸出電壓諧波含量為0.43%，滿足整車系統(tǒng)對輔助輸出電流諧波的技術要求。

圖8 輔助系統(tǒng)輸出電流諧波分析

3.3 輔助逆變器輸出電壓、電流仿真分析

如圖9 所示，輔助逆變器從母線取電，母線DC1450V（±50V）通過輔助逆變功率模塊轉換為AC 760V/50Hz 作為變壓器原邊電壓。輔助逆變器輸出電壓幅值為1451V，符合系統(tǒng)技術要求，輔助逆變器輸出電壓基波有效值為764.4V，與變壓器原邊電壓理論計算值基本相符。

圖9 輔助逆變器輸出電壓仿真波形

如圖10 所示，輔助逆變器輸出電流基波有效值為120A，電流諧波含量為10.66%。

圖10 輔助逆變器輸出電流仿真波形

3.4 輔助隔離變壓器輸出電壓、電流仿真分析

輔助隔離變壓器選型為190kVA,760V/380V，通過以下仿真可知，變壓器可實現(xiàn)降壓和電氣隔離的功能，滿足系統(tǒng)技術要求。

如圖11 所示，輔助輸出變壓器副邊電壓（空載）基波有效值為389.6V，與理論計算值相符。

圖11 輔助隔離變壓器輸出電壓仿真波形

如圖12 所示，輔助隔離變壓器副邊電流基波有效值為229A，與理論計算值相符。

圖12 輔助隔離變壓器輸出電流仿真波形

3.5 交流濾波電容輸出電壓、電流仿真分析

交流濾波電容選型為600μF/660V/173A，通過以下仿真可知，交流濾波電容電壓、電流均滿足系統(tǒng)功能需求。

如圖13 所示，交流濾波電容電壓基波有效值為379.9V。

圖13 交流濾波電容輸出電壓仿真波形

如圖14 所示，交流濾波電容電流基波有效值為71.6A。

圖14 交流濾波電容輸出電流仿真波形

4 試驗驗證

如圖15 所示，按照國家標準對該牽引輔助變流柜樣機進行了輔助系統(tǒng)相關試驗，通過對輔助系統(tǒng)輸出電壓、電流等的檢測，驗證了輔助系統(tǒng)具有良好的電氣性能，可以滿足整車對輔助系統(tǒng)供電的功能需求。

圖15 牽引輔助變流柜樣機試驗

5 結論

本文介紹了一種純電池供電電力機車用牽引輔助變流柜輔助系統(tǒng)的設計方法，通過對主電路的工作原理和功能分析，結合整車對輔助系統(tǒng)的性能需求，介紹了輔助系統(tǒng)逆變器、輔助隔離變壓器、交流濾波電感、交流濾波電容等關鍵部件的計算方法和電氣功能。通過電氣仿真和試驗驗證，該輔助系統(tǒng)具有電路成熟、性能穩(wěn)定、可靠性高、驗證充分等特點，各項性能指標均能滿足整車技術需求。目前該型牽引輔助變流柜已完成各項試驗驗證，打開電力機車未來從傳統(tǒng)交通裝備向新能源領域發(fā)展的新思路，對助力國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略具有重要的意義。