高曉峰，方華松

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一種鐵路凈化電源裝置的設計

高曉峰，方華松

（武漢船用電力推進裝置研究所， 武漢 430064）

本文討論了一種27.5 kV/10 kV交直交凈化電源裝置。該裝置從牽引網(wǎng)單相27.5 kV取電，通過“高-低-高”磁場級聯(lián)型式，將輸入電壓轉換為諧波含量小、幅值穩(wěn)定的三相10kV電壓。該裝置具有供電質量高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。目前，該凈化電源裝置已經(jīng)成功投運3年多，輸出電能質量滿足設計要求，運行效果良好。

牽引網(wǎng) 凈化電源 整流器 逆變器

1 引言

鐵路的通信、信號及日常工作和生活采用三相10 kV電網(wǎng)供電，其電能品質及可靠性對鐵路運行安全起著至關重要的作用[1]。目前電氣化鐵路10 kV供電由兩路組成：第一路是從牽引網(wǎng)的兩供電臂取電，通過27.5 kV/10 kV變壓器得到三相電源；第二路是從地方上鋪設專用線路給鐵路配電網(wǎng)供電[2]。然而，第一路電源存在10 kV電壓波動范圍大，電能質量差等缺陷，第二路電源增加了鐵路一次性建設成本和后期的運行維護費用，甚至在西部某些地區(qū)該路電源無法獲得[3~6]。

針對上述的問題，本文提出了基于大功率電力電子技術的27.5 kV/10 kV交直交凈化電源裝置解決方案。該裝置從單相接觸網(wǎng)上取電，通過先進電力電子變換技術將電壓波動范圍大、諧波含量高的單相27.5 kV交流電源變換成純凈、穩(wěn)定、可靠的三相10 kV電源，給鐵路三相貫通線或自閉線供電，適用于為鐵路車站、通信、信號等重要設備和一級負荷提供可靠及高品質電源。

2 主電路拓撲方案設計

凈化電源主要功能為將鐵路單相交流牽引供電線路27.5 kV輸入電源轉換為穩(wěn)定三相交流10 kV電源，電源的核心為變流器。

傳統(tǒng)的“交－交”型變流器所需器件多、控制電路較為復雜、輸入功率因數(shù)低、電流諧波較嚴重，多用于特大功率場合?！敖唬保弧毙妥冾l調速系統(tǒng)將固定頻率的交流電源整流為直流，并基于相應的調制及控制策略將直流電變?yōu)榉颠B續(xù)可調的交流電?！敖唬保弧毙妥兞髌骶哂锌刂戚^為簡單、功率因數(shù)高及諧波易消除等優(yōu)點，是目前變流系統(tǒng)的主流。

串聯(lián)多重化與高－低－高磁場級聯(lián)兩種結構型式均可實現(xiàn)將單相牽引供電線路27.5 kV電源轉換為10 kV三相交流電源。

串聯(lián)多重化結構方案如圖1所示。串聯(lián)多重化高壓變流器利用低壓單相功率單元串聯(lián)，彌補功率器件IGBT的耐壓能力不足。此方案利用前端多繞組整流變壓器進行電網(wǎng)隔離，并將單相牽引供電線路27.5 kV電源轉換為多組單相交流電源；變壓器的二次側輸出電壓供給功率單元，進行單相整流和單相逆變。變流器每相輸出由多個功率單元逆變串聯(lián)疊加后輸出，形成相電壓5773 V、線電壓10 kV的三相交流電源。

高－低－高磁場級聯(lián)結構方案如圖2所示，此方案利用整流變壓器，將單相牽引供電線路27.5 kV電源轉換為單相低壓交流電壓進行單相整流后給直流母線支撐電容充電。逆變單元分為三組，每組含多個功率單元模塊。三組逆變單元將直流電壓轉換為相位依次相差120°的單相交流電壓，再經(jīng)過單相變三相的升壓變壓器實現(xiàn)10 kV的三相交流電源輸出。逆變單元采用成熟的基于載波移相的兩電平H橋型逆變器，基于載波移相的相電流在升壓變壓器內部形成磁場級聯(lián)。

圖1 串聯(lián)多重化結構方案示意圖

圖2 高－低－高磁場級聯(lián)結構方案示意圖

兩種結構型式對比如下：

a) 變流器器件數(shù)量

串聯(lián)多重化結構型式變流器采用低壓功率模塊串聯(lián)得到高電壓輸出。若整流變壓器副邊輸出電壓為1100 V，要輸出10 kV線電壓，共需功率模塊21組。若整流變壓器副邊輸出電壓為690 V，要輸出10 kV線電壓，共需功率模塊42組。此結構型式所需器件數(shù)量極多，導致變流器體積較大。

高－低－高磁場級聯(lián)結構型式變流器由于輸出端接有升壓變壓器，變流器自身輸出為低壓。若變壓器副邊輸出電壓為690 V，每相兩組共6組功率模塊即可實現(xiàn)1 MVA滿容量輸出。因此所用器件少，變流器體積較小。

b) 整流變壓器

串聯(lián)多重化結構型式需要多繞組整流變壓器，若整流變壓器副邊輸出電壓為1100 V，需21組副邊繞組、共42個接頭。若整流變壓器副邊輸出電壓為690 V，需42組副邊繞組、84個接頭。過多的副邊繞組導致整流變壓器造價高、體積大，所需電纜數(shù)量多，接點多、接線復雜，故障點增多，系統(tǒng)內阻和損耗增大。

高－低－高磁場級聯(lián)結構型式變流器原理上只需要一組整流輸入，即整流變壓器只需一組副邊繞組即可滿足要求。為滿足電流強度需要，可在變流器內部采用多組整流單元并聯(lián)方式。變壓器造價相對較低，所需電纜數(shù)量少，接線簡單，可靠性較高。

c) 變流器可靠性

串聯(lián)多重化結構型式變流器功率單元數(shù)較多，控制信號以及內部電纜、光纖較多，可靠性相對高－低－高磁場級聯(lián)結構型式變流器而言較低。高－低－高磁場級聯(lián)結構型式變流器整個系統(tǒng)結構簡單，采用的均為成熟的經(jīng)過驗證的技術。

綜合以上兩種結構型式類型凈化電源的優(yōu)缺點對比，確定了27.5 kV/10 kV交直交凈化電源裝置采用高－低－高磁場級聯(lián)結構型式。

裝置主要由整流變壓器、變流器、升壓變壓器三部分組成。其中變流器分為三組，每組由一個H橋不控整流單元和三個H橋逆變單元組成。

3 控制系統(tǒng)方案設計

控制器采用模塊化設計，主要分為主控制單元和PLC邏輯控制單元兩大部分。

3.1 主控制單元

主控制單元由DSP板、信號調理板、光纖板等組成。所有的電路板安裝在標準3U機箱內，并通過背板連接在一起。機箱安裝圖如圖3所示。

控制單元與PLC的通訊采用RS-485總線通信方式。變流裝置內部的電信號采集通過霍爾傳感器，霍爾傳感器輸出電流源信號至信號調理板，隔離后至DSP板；控制單元對IGBT的控制及狀態(tài)采集通過光纖完成?？刂茊卧Y構框圖如圖4所示。

圖3 控制單元機箱安裝圖

圖4 控制單元結構框圖

DSP主要完成各種數(shù)據(jù)的采集和處理、輸出交流電壓閉環(huán)控制算法、系統(tǒng)軟件保護及通訊等功能，F(xiàn)PGA主要完成PWM信號的生成、硬件保護、邏輯控制等功能。

信號調理板負責對模擬信號進行隔離、濾波和電平轉換，送至DSP控制板進行采樣處理，同時上下限報警檢測電路在電壓超過閾值時，發(fā)出報警信號，直接封鎖光纖板的PWM信號輸出。

光纖轉換板主要完成PWM脈沖信號的光電轉換、功率單元故障信號的光電轉換、PWM脈沖死區(qū)的生成等功能，發(fā)生功率單元故障時，具有最高優(yōu)先級的故障保護功能。控制回路與功率單元之間通過光纖連接。

3.2 PLC邏輯控制單元

PLC邏輯控制單元主要包括PLC主運算單元、AI擴展模塊、DI擴展模塊、AO擴展模塊、DO擴展模塊、通訊擴展模塊和OP操作面板。PLC邏輯單元結構圖如圖5所示。

控制器箱體上設置有“遙控/現(xiàn)地”選擇開關。當選擇開關置為遙控位置時，控制器通過DCS接口接收來自控制室的控制指令，控制系統(tǒng)運行。當選擇開關置為現(xiàn)地控制時，操作人員可在現(xiàn)地通過操作面板實現(xiàn)全部功能，同時通過操作面板上的顯示器監(jiān)視系統(tǒng)的電壓、電流、功率等各種運行參數(shù)，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時操作面板顯示相關的故障信息。

圖5 PLC控制原理框圖

4 仿真分析

牽引網(wǎng)電壓空載設計值為27.5kV，當機車駛入供電段或在供電段啟動時，相當于給牽引網(wǎng)突加負載，當機車駛出供電段或在供電段停車時，相當于牽引網(wǎng)突卸負載，牽引網(wǎng)在突加突卸負載和牽引短路阻抗的作用下，必然會導致牽引網(wǎng)電壓頻繁波動，實際測量牽引網(wǎng)電壓波動范圍為17.5~31.5 kV。前面已經(jīng)分析過，牽引網(wǎng)電壓在如此大范圍頻繁波動使得現(xiàn)有鐵路10 kV配電網(wǎng)電壓波動范圍大，不利于鐵路安全運營。鑒于此，必須考慮采用適合于鐵路10 kV配電網(wǎng)應用環(huán)境的凈化電源裝置，提高鐵路運營安全性。

對應用于鐵路10 kV配電網(wǎng)環(huán)境的凈化電源裝置進行了輸出電壓穩(wěn)定性建模仿真，仿真相關參數(shù)如下：整流變壓器容量1 MVA，短路阻抗8%，變比為27500 V/690 V；升壓變壓器容量1 MVA，短路阻抗7%，變比為350 V/10000 V；直流支撐電容13 mF。牽引網(wǎng)電壓從27.5 kV跌落至19 kV時電源裝置輸出電壓仿真波形如圖6所示，當牽引網(wǎng)電壓從19 kV突升至31 kV時電源裝置輸出電壓波形如圖7所示。

從圖6和圖7的仿真結果可以看出當牽引網(wǎng)電壓從19 ~31 kV范圍內波動時，凈化電源裝置都能輸出恒定三相10 kV電壓。

由于10 kV配電網(wǎng)負載分散性大，存在不同負載頻繁投切的問題，需要穩(wěn)壓電源裝置在突加、突卸負載時具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性，為此對10 kV電源裝置進行了突加、突卸100%負載仿真，仿真結果分別如圖8、9所示。

圖6 牽引網(wǎng)電壓從27.5kV跌落至19kV時電源裝置輸出電壓

圖7 牽引網(wǎng)電壓從19 kV突升至31 kV時電源裝置輸出電壓

圖8 電源裝置從空載突加滿載時輸出電壓

從圖8和圖9可以看出凈化電源裝置在突加100%負載時輸出電壓跌落小于4%，調節(jié)時間為2 ms，突卸100%負載時電壓抬升小于3%，調節(jié)時間為2 ms，反映了凈化電源裝置輸出具有很高的動態(tài)穩(wěn)定性。

圖9 電源裝置從滿載突卸空載時輸出電壓

5 凈化電源裝置的應用

進行完上述的方案設計之后，筆者與項目團隊開發(fā)了一套1 MVA的27.5 kV/10 kV交直交凈化電源裝置，已交付于烏魯木齊鐵路局某牽引變電所掛網(wǎng)應用，自投運至今，運行三年多，且運行平穩(wěn)，安全可靠，在中國鐵路總公司獲得良好口碑。裝置現(xiàn)場實景圖如圖10所示。

圖10 電源裝置現(xiàn)場實景圖

圖11 凈化電源輸出三相線電壓波形

在運行過程中測試并記錄了相關運行數(shù)據(jù)及波形，其中輸出電壓測試波形如圖11所示，電壓FFT分析結果如圖12、13、14所示，輸出電壓記錄表如表1所示，輸出電壓總諧波畸變率如表2所示。從試驗數(shù)據(jù)可以看出該電源裝置輸出電壓誤差精度小于1%，電壓總諧波畸變率低于3%，反映電源裝置帶載輸出具有很高的穩(wěn)定性。

圖12 AB線電壓FFT分析

圖13 BC線電壓FFT分析

圖14 CA線電壓FFT分析

6 結論

本文論述了一種應用與鐵路牽引變電所的大功率交直交凈化電源的方案設計、仿真分析和現(xiàn)場應用。通過西部鐵路沿線10多個牽引變電所的考察發(fā)現(xiàn)，此次凈化電源裝置的應用也是大功率電力電子器件在西部鐵路上的首次應用，具有創(chuàng)新性的意義。

表1 輸出電壓記錄表

27.5 kV/10 kV交直交凈化電源裝置的各項指標都達到或超過了預期技術要求的規(guī)定。和現(xiàn)有的供電方式相比，具有電壓穩(wěn)定、輸出波形失真小的特點。良好的電源品質使得負載用電設備免受電網(wǎng)電壓波動影響，降低線路上各用電設備的故障幾率。另外，凈化電源裝置采用直接在牽引網(wǎng)取電的方式，可大大減少牽引變電所初期建站費用。

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Design of Purified Power Supply Device for Railway

Gao Xiaofeng, Fang Huasong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2017）12-0043-05

2017-09-20

高曉峰（1985-），男，碩士。研究方向：電力電子與電氣傳動。E-mail: qq393884458@126.com