高曉峰，方華松

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一種鐵路凈化電源裝置的設(shè)計

高曉峰，方華松

（武漢船用電力推進(jìn)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(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)量滿足設(shè)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(zhì)及可靠性對鐵路運行安全起著至關(guān)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(shè)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(zhì)量差等缺陷，第二路電源增加了鐵路一次性建設(shè)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(shù)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(jìn)電力電子變換技術(shù)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(shè)備和一級負(fù)荷提供可靠及高品質(zhì)電源。

2 主電路拓?fù)浞桨冈O(shè)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(zhuǎn)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(fù)雜、輸入功率因數(shù)低、電流諧波較嚴(yán)重，多用于特大功率場合。“交－直－交”型變頻調(diào)速系統(tǒng)將固定頻率的交流電源整流為直流，并基于相應(yīng)的調(diào)制及控制策略將直流電變?yōu)榉颠B續(xù)可調(diào)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(jié)構(gòu)型式均可實現(xiàn)將單相牽引供電線路27.5 kV電源轉(zhuǎn)換為10 kV三相交流電源。

串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)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(jìn)行電網(wǎng)隔離，并將單相牽引供電線路27.5 kV電源轉(zhuǎn)換為多組單相交流電源；變壓器的二次側(cè)輸出電壓供給功率單元，進(jìn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為單相低壓交流電壓進(jìn)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(zhuǎn)換為相位依次相差120°的單相交流電壓，再經(jīng)過單相變?nèi)嗟纳龎鹤儔浩鲗崿F(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(nèi)部形成磁場級聯(lián)。

圖1 串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)方案示意圖

圖2 高－低－高磁場級聯(lián)結(jié)構(gòu)方案示意圖

兩種結(jié)構(gòu)型式對比如下：

a) 變流器器件數(shù)量

串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型式所需器件數(shù)量極多，導(dǎo)致變流器體積較大。

高－低－高磁場級聯(lián)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(fù)雜，故障點增多，系統(tǒng)內(nèi)阻和損耗增大。

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

綜合以上兩種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計

控制器采用模塊化設(shè)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(diào)理板、光纖板等組成。所有的電路板安裝在標(biāo)準(zhǔn)3U機箱內(nèi)，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(nèi)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(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)理板負(fù)責(zé)對模擬信號進(jìn)行隔離、濾波和電平轉(zhuǎn)換，送至DSP控制板進(jìn)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(zhuǎn)換板主要完成PWM脈沖信號的光電轉(zhuǎn)換、功率單元故障信號的光電轉(zhuǎn)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?？刂苹芈放c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(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

控制器箱體上設(shè)置有“遙控/現(xiàn)地”選擇開關(guān)。當(dāng)選擇開關(guān)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(dāng)選擇開關(guān)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(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時操作面板顯示相關(guān)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(shè)計值為27.5kV，當(dāng)機車駛?cè)牍╇姸位蛟诠╇姸螁訒r，相當(dāng)于給牽引網(wǎng)突加負(fù)載，當(dāng)機車駛出供電段或在供電段停車時，相當(dāng)于牽引網(wǎng)突卸負(fù)載，牽引網(wǎng)在突加突卸負(fù)載和牽引短路阻抗的作用下，必然會導(dǎo)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(yīng)用環(huán)境的凈化電源裝置，提高鐵路運營安全性。

對應(yīng)用于鐵路10 kV配電網(wǎng)環(huán)境的凈化電源裝置進(jìn)行了輸出電壓穩(wěn)定性建模仿真，仿真相關(guān)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(dāng)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(jié)果可以看出當(dāng)牽引網(wǎng)電壓從19 ~31 kV范圍內(nèi)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(fù)載分散性大，存在不同負(fù)載頻繁投切的問題，需要穩(wěn)壓電源裝置在突加、突卸負(fù)載時具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性，為此對10 kV電源裝置進(jìn)行了突加、突卸100%負(fù)載仿真，仿真結(jié)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(fù)載時輸出電壓跌落小于4%，調(diào)節(jié)時間為2 ms，突卸100%負(fù)載時電壓抬升小于3%，調(diào)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(yīng)用

進(jìn)行完上述的方案設(shè)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(yīng)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(guān)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(jié)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(jié)論

本文論述了一種應(yīng)用與鐵路牽引變電所的大功率交直交凈化電源的方案設(shè)計、仿真分析和現(xiàn)場應(yīng)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(yīng)用也是大功率電力電子器件在西部鐵路上的首次應(yīng)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(biāo)都達(dá)到或超過了預(yù)期技術(shù)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(zhì)使得負(fù)載用電設(shè)備免受電網(wǎng)電壓波動影響，降低線路上各用電設(shè)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