电力机车及动车辅助供电系统模块化技术研究

电力机车及动车辅助供电系统模块化技术研究

罗雄文

南宁轨道交通集团有限责任公司运营分公司广西南宁530028

摘要：随着科学技术的快速发展，我国运输行业发展迅速。辅助供电系统是高铁、动车以及电力机车的重要组成部分，为整车众多辅助设备如冷却水泵、油泵、冷却风机、空气压缩机、电热器、空调、控制电源、信息显示系统、照明系统等提供所需电源，是列车正常运行的重要保障。

关键词：电力机车及动车；辅助供电系统模块化技术

引言

时代的进步，科技的发展，使我国快速进入现代化发展阶段。辅助供电系统作为电力机车的重要组成部分之一，主要为机车主电路设备提供冷却，为空气制动系统提供风源，调节司乘人员环境。辅助电路的正常工作与否直接影响到主电路的工作状态，是机车稳定、安全运行的关键。在铁路运输高度发达的今天，电力机车运行不仅仅体现在高速和平稳上，车内生活用电的安全保障，更体现一个国家工业发展水平的高低。

1辅助供电系统结构

动力车辅助供电系统沿用了HXD1系列电力机车成熟的辅助供电系统结构，从牵引变流器中间直流环节取电，通过辅助变压器和滤波电容器滤波后向两个三相支路供电。支路1为变压变频电路，支路2为定压定频电路，定压负载工作电压380V，工作频率50Hz。动力车辅助供电系统主要由牵引变流器中间直流环节、辅助逆变器、辅助变压器、滤波电容器、辅助负载构成。辅助逆变器供电采用冗余设计，当其中一个出现故障时，另一个将承担所有负载，此时所有辅助设备都工作在3AC380V，50Hz的恒压恒频下。辅助变压器也具备冗余供电功能。在选取辅助变压器容量时，需考虑其冗余工况，当一个辅助变压器故障后，辅助负载总容量约125kVA，功率因数0.85。在实际应用过程中，由于辅助逆变器直接输出的电压脉冲中含有许多不同频率的谐波，实际输出电压失真度往往高于负载能够承受的允许值，因此辅助供电系统均采用LC低通滤波器来滤除输出电压波形中开关频率以及邻近频带处的谐波。

2国内动车组辅助供电系统概述

动车组辅助供电系统主要包括：主电路、控制电路、辅助电路三部分。辅助电路是由各种电线路、电气设备、辅助电源组成，通过分析电路系统的构成可得知，动车组行车必须用电负荷，不仅包括上述主要电路部分，还包含了各个电压等级电源、电负荷等，以此构成列车辅助电路。供电辅助系统能够为动车组的高速运行提供保障，为乘客的出行提供便捷，为乘务员的工作提供支持。据相关报道显示，我国机车辅助电路一般应用的是旋转劈相机供电形式，但在实际应用中，这类供电方式的弊端较大，比如：噪音大、供电效率不足等，且供电电网的恒定性不足。目前，国内动车组辅助供电系统类型主要如下。国内动车组辅助供电系统主要包括：CRH2动车组辅助供电系统、CRH3动车组辅助供电系统、CRH1动车组辅助供电系统、CRH5动车组辅助供电系统。

3模块化技术分析

3.1模块化技术思路

中小功率等级变流器的轻量化、模块化是未来设计的主要趋势。讨论模块化技术，涉及2个方面:一方面是研究通用的、模块化的功率与控制单元，以适应目前众多车型和不同供电结构的变流器需求，降低替代、维护时的匹配难度和成本;另一方面是从整车供电系统的角度，整体考虑供电布局，统一化或者标准化供电结构、电压等级、电路参数等，形成标准化接口，提高各负载设备辅助供电单元的可替代互换性。

3.2PWM逆变器

逆变器选择PWM技术，与整流器作用相反，借助直流电，可实现逆变器功率器件开通作用与关断作用，实现交流电的转换。一般逆变器实物转换，具备很多的谐波成分，会产生波形差。只有将其中的谐波成分滤去，才可实现交流低通滤波。逆变器电能转换功率最为理想的运行为不存在脉动，且运行阶段直流电压波形与直流电流波形是不会产生脉动。在实际的电路运行中，由于逆变器的数量有限，其功率P属于脉动，期间直流电压为恒电源。

3.3辅助供电系统分层分析模型的建立

影响动车组辅助供电系统健康状态的因素较多，而动车组辅助供电系统是一个复杂、庞大的系统，其各因素的影响程度不同，各因素之间又存在联系，在进行动车组辅助供电系统健康状态评估时，很难考虑到影响其健康状态的所有因素，因此，本文只选取具有代表性的评估状态量，将整个系统分为系统层、元件层和指标层等3个层次构成。

3.4滤波电容上谐波对辅助变压器容量选取的影响

实际运行过程中，如果辅助变压器输出电压不变，其输出容量由两部分决定：一是由滤波电容补偿后的辅助系统基波电流；二是滤波电容上的谐波电流。本节将分析滤波电容上谐波电流对变压器容量的影响。为准确计算滤波电容上的谐波电流，通过MATLAB/simulink搭建模型，仿真动力车辅助供电系统，分析滤波电容上的电流数据。由中间直流环节、辅助逆变器、辅助变压器、低通滤波器、辅助负载等组成。以动力车负载数据为原型，辅助逆变器从牵引变流器中间直流环节取电，中间直流电压为3600V，辅助变压器额定频率50Hz，变压器变比4.4，等效漏感0.69mH，滤波电容选取1.05mF辅助负载功率为125kVA，功率因数0.85。采用上述参数及模型进行仿真，输出电流经过滤波器后，谐波成分被有效地抑制了；滤波电容补偿后的辅助系统基波电流为163.8A，滤波电容谐波电流有效值35.6A，计算出辅助系统总电流为167.6A，可以得到在辅助供电系统满载运行时辅助变压器输出容量（含谐波容量）约为110kVA。滤波电容谐波电流仅与辅助逆变器的开关频率有关，系统确定后谐波电流基本不变，因此辅助系统负载功率越大，谐波电流对辅助供电系统负载的影响越小。当辅助供电系统负载容量达125kVA时，谐波对辅助变压器容量的影响基本可以忽略不计。

3.5基于模块化多电平的辅助供电系统的原理及特点

该系统的主要特点如下:(1)采用高频脉冲变压器，体积大大减小，功率密度较高;(2)高频脉冲变压器设置多组副边绕组，需要交流母线供电的负载可先经过高频整流再进行逆变，需要直流母线供电的负载，直接进行高频整流滤波输出即可，即该辅助供电系统适用于不同负载场合;(3)适用于不同供电电源和电压等级，例如，针对不同的直流电压输入，可以选择不同数目的模块化单元自由组合即可。另外，该辅助供电系统结构也适用于独立绕组供电，只需改变前级多电平变换器的单元组合即可，控制算法上可以直接实现单相交流电到高频方波变换功能，后级电路完全不需要变动。

结语

通过上述分析可知，基于模块化多电平的辅助供电系统，对不同类型的供电电源和不同的电压等级都具有适应性，对各种负载具有适应性，该系统具有简洁的模块化结构和高功率密度特性，未来会具有广阔的应用前景。另外，进一步展望未来中小功率变流技术的趋势，会有越来越多的机电一体化设备、供电或者驱动变流器分布式地集成到各个终端设备上，直接在终端实现分布式供电与控制。以此为思路，可以考虑构建机车辅助供电直流母线系统，从主牵引直流母线直接取电，经高频模块化多电平DC/DC变换器建立直流母线供电电源，集成了终端变流器的各个用电设备直接挂接在贯通全车的直流母线上，这也是一种很有潜力的辅助供电解决方案。

参考文献

［1］郑华熙，高吉磊，郑琼林．我国高速动车组辅助供电系统的比较与分析［J］．电气传动，2010，40(3):53—59．

［2］孙大南．动车组与电力机车高频化辅助变流系统主电路研究［J］．电工电能新技术，2019，(2):74—81．

［3］杨晓峰，郑琼林，等．模块化多电平换流器的拓扑和工业应用综述［J］．电网技术，2016，40(1):1—10．