鐵路新型接觸網取電電源凈化裝置的研究

劉卓輝

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

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鐵路新型接觸網取電電源凈化裝置的研究

劉卓輝

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

對比接觸網供電質量與鐵路站點常用用電設備供電要求，借鑒國內外已有的從接觸網取電的做法，提出一種新型接觸網取電電源凈化裝置。裝置采用直流環節作為中間環節，實現輸入電壓與輸出電壓的解耦，有效解決輸入電壓波動范圍大和品質差的問題；采用一種帶有輸出電壓有效值反饋控制及負載電流前饋控制的多閉環反饋控制器方案，使接觸網電源凈化裝置具有自動的限流保護功能，可以提高電源驅動沖擊負載的能力；負載電流前饋控制的引入，可使接觸網電源凈化裝置對負載的變化有及時的調節能力，同時使動態響應特性大大提高。新型接觸網取電電源凈化裝置在鐵路站點進行實際測試證實，可在輸入電壓諧波較大、電源波動范圍較大、電壓波峰系數較高的條件下可靠運行，輸出穩態和動態指標滿足用電設備要求。新型接觸網電源凈化裝置技術先進，具備在國內和國際上推廣的實力和前景。

電氣化鐵路；接觸網取電；諧波；逆變；穩壓

1 概述

在我國電氣化鐵路建設的發展進程中，鐵路信號等負荷采用接觸網電源供電的方案經過如下幾個階段：接觸網電源通過27.5/0.23 kV變壓器降壓后不經處理直接作為信號的備用電源[1-2]；接觸網電源經過簡單穩壓處理后作為供電電源階段；接觸網電源經過UPS或交直交裝置凈化后作為供電源階段[3]。

我國鐵路電力供電對可靠性和安全性的要求一般高于其他國家，接觸網取電供電方案較少采用。但在參與國際項目時，接觸網取電供電方案較為常見，諸如匈牙利、塞爾維亞、馬其頓等東歐國家，甚至是德國、西班牙等西歐國家。因此接觸網取電電源在國際市場上前景廣闊，高品質的接觸網取電電源的研究很有必要。

在德國，接觸網電源直接降壓后為道岔融雪供電[4]，不再考慮為信號等一級負荷供電。在西班牙，由于投資限制，個別處所采用接觸網電源經凈化處理后為信號等負荷供電，采用以晶閘管(或整流二極管)和IGBT(絕緣柵雙極晶體管)為主要元件組成的交直交電源凈化設備(采用智能型雙變換不間斷工業電源系統)。

目前國內在使用的接觸網電源取電供電涉及了上述所有方式。早期利用接觸網電源作為信號等負荷的備用電源裝置，由于沒有進行凈化處理，運行中經常發生燒壞負荷的事故[5]。國內有采用交直交凈化的類似裝置，但均無相關成套技術標準或經過有關部門的檢測。某些處所采用大容量UPS作為凈化電源裝置，但UPS[6]作為一款通用設備，并未針對接觸網電源電能質量特性和鐵路處所負載特性進行設計。鑒于以上情況，必須研制一種適用于接觸網取電的、性能滿足信號設備等負荷的電源凈化設備。

2 接觸網電源的電能質量與用電負荷需求分析

某電氣化鐵路用電負荷，其電源為接觸網經27.5/0.23 kV變壓器簡單降壓。對此電源的輸出經過一段連續時間的測試，結果為：電壓有效值在215～250 V范圍內波動，如圖1所示；峰值電壓在310～450 V范圍內波動，如圖2所示；最大諧波為20%，如圖3所示。接觸網主要的用電負荷為牽引機頭，同一段接觸網供電區間可能沒有，也可能同時有多列機車在運行，因此不同時間牽引網上的電能質量狀況不同；機車位置相對牽引變壓器的距離有近有遠，距離隨著列車的運行隨時發生變化，在同一測量地點牽引網電能質量狀況也不同。由于牽引負荷(整流性負載)在空間和時間分布上的隨機性，使接觸網電壓波形、諧波含量在不同時間、不同地點有不同的特點[7]。

圖1 電壓波動范圍

圖2 電壓峰值波動范圍

圖3 電壓諧波范圍

經過大量測試統計，從接觸網直接經過變壓器降壓取電，電壓有效值波動范圍可達到±40%，最高峰值電壓可達到460 V或更高，電壓波峰系數可達到2.0，電能質量的各項指標大大超出了國家電力標準規定的允許偏差[8-11]，對用電負荷的安全運行造成了嚴重威脅，甚至對相關繼電保護系統也會造成干擾，誤動作的風險增加，極端情況下對行車安全會構成威脅[12]。由此可見，接觸網電源不宜直接作為用電負荷的供電電源。

各類用電負荷的輸入電源需求，一般按照是否設置電源屏、UPS進行分類。

通信、信號負荷均設置電源屏[13]，其輸入電源按照電源屏技術要求確定。通信電源屏一般僅在輸入電壓(±15%)、輸入頻率(50±1) Hz兩方面有具體要求；信號電源屏一般僅在輸入電壓(±25%)、輸入頻率(50±1) Hz兩方面有具體要求。

設置UPS的用電負荷，其配置的標準UPS的電源輸入條件為公用低壓電網電源條件。若輸入電壓、頻率、電壓畸變率有特殊要求時，需特殊訂制。通常特殊訂制的大功率UPS的輸入電壓(±25%)、輸入頻率(50±1) Hz兩方面有具體要求。

其他用電負荷采用公用低壓電網電源條件，即：輸入電壓(±10%)、輸入頻率(50±2) Hz、輸入電壓總畸變因數(D≤0.08)等。

以上分析表明，接觸網電源的電能質量與用電負荷對供電質量的要求之間存在巨大矛盾，有必要設置中間設備對接觸網電源進行凈化處理。

3 接觸網凈化電源與UPS電源對比

大功率UPS電源輸入電壓范圍一般不超過±25%，通常不能滿足接觸網電壓變化范圍。接觸網電源凈化裝置按照鐵路接觸網電壓波動范圍及現場實測數據為依據進行設計，以滿足現場運行需要，電壓波動范圍最高可達到±40%。

UPS電源要求輸入電壓峰值計算按照正弦波波峰系數1.414計算，實際現場由于諧波影響，接觸網電壓波峰系數可高達2.0，存在較高的電壓尖峰，對UPS輸入造成安全隱患。經過針對性設計的接觸網電源凈化裝置能承受此電壓尖峰，同時功率器件和控制供電充分考慮了接觸網電壓諧波含量高，電壓尖峰高的特點，能夠安全有效運行。

UPS輸出設有125%額定負載過載保護和短路保護，對沖擊性負荷反應敏感，作為信號電源的供電，特別是智能電源屏的供電，由于電源屏的整流電源、變壓器負荷和轉轍機電機等高沖擊負荷的存在，對UPS的輸出造成大電流沖擊，易造成UPS保護動作，影響供電可靠性。接觸網電源凈化裝置采用多閉環電感電流及輸出電流控制技術，能夠實現輸出限流，對沖擊性負荷具有很強的適應性，能夠有效保證供電可靠性[14]。

4 新型接觸網電源凈化裝置的關鍵技術

4.1 輸入諧波消除

新型接觸網電源凈化裝置主回路設計時采用交直交拓撲形式，主要由整流器、直流濾波器、逆變器、輸出變壓器、輸出濾波器組成。輸入電壓經過三相全橋整流和LC濾波器，將輸入三相交流電壓整流、濾波為平滑直流電壓，該直流電壓再經過3個單相H橋逆變電路，逆變為交流電壓施加到輸出變壓器上，在變壓器輸出側設置有交流濾波電容器，利用變壓器的漏感和濾波電容組成LC濾波器，以消除逆變過程中產生的高次諧波。由于中間直流母線的存在，輸入交流側的諧波不能傳遞到輸出交流側，有效地濾除了接觸網電壓中存在的諧波，其原理如圖4所示。

圖4 新型接觸網電源凈化裝置原理示意

4.2 輸出電壓控制

新型接觸網電源凈化裝置需要在輸入電壓大范圍波動及輸入電壓波形嚴重畸變的條件下保持輸出電壓波形為穩定、平滑的正弦波。為實現此目標，控制器采用一種電感電流(即逆變器輸出電流)反饋控制加輸出電壓有效值反饋控制及負載電流前饋控制的多閉環控制器方案，可以對輸出電壓的波形、頻率、幅值進行精確控制，同時保證輸出的穩態性能和動態性能。

該控制器將電感電流反饋值作為電流控制環，通過一個PI控制器對逆變器輸出電流進行實時調節，電流控制環跟蹤給定的正弦波信號，可以對輸出電壓波形進行實時控制，以保證輸出電壓波形品質。電流控制環具有最大輸出電流限制能力，當電感電流達到預設的最大值之前，電流控制環的輸出幅值不再增加，使得電感電流不再增大，如此將使新型接觸網電源凈化裝置的輸出電流得到限制，即使發生短路，輸出電流也能被限制在安全范圍內。

給定輸出電壓值及輸出電壓反饋值作為電壓控制環的輸入，通過檢測輸出電壓與給定電壓的誤差，通過比例調節器，對輸出電壓的有效值進行控制，以保證正常負載條件下輸出電壓的穩定。在發生輸出嚴重過載或短路時，電壓控制環的輸出被電流控制環的輸出限制，在維持輸出電流不再增加的同時，輸出電壓有效值自動降低。

由于PI調節器本身的固有特性，對輸出的控制有一定的滯后作用，較大的PI參數對調節精度有好處，但在負載大小急劇變化時，會造成輸出電壓的超調量過大和恢復時間延長。在電流控制環和電壓控制環之外引入輸出電流前饋控制可以提高響應速度，通過適當調整前饋系數，可以保證在不影響系統穩定性的前提下，輸出電壓的動態特性得到改善[15]。

4.3 輸出濾波[16]

在新型接觸網電源凈化裝置內，逆變器的輸出為PWM波，含有大量的高次諧波成分，不能直接作為普通用電負荷的供電電源(變頻電機等由變頻器驅動的負荷除外)。在逆變器輸出設置濾波器是必不可少的，它的作用是濾除輸出諧波成分，使得輸出電壓諧波含量達到要求，將逆變器輸出的PWM波處理為正弦波。輸出濾波器一般設計為LC電路。在輸出濾波器設計中，主要考慮的因素如下。

(1)合理選擇L、C參數，在輸入電壓變化范圍內使輸出電壓的單次諧波含量及總諧波含量滿足要求。

(2)充分考慮在極端工作條件下，例如在最低輸入電壓最高輸出電壓時，輸出空載和滿載下，輸出電壓的單次諧波含量及總諧波含量符合要求。

(3)應平衡考慮新型接觸網電源凈化裝置對線性負載和非線性負載的適應性，在LC之積恒定時，L越小，輸出阻抗越小，對非線性負載的適應能力越好。

(4)由于LC濾波電路本身的特性，空載時電容元件的充放電會帶來LC電路的空載電流，造成熱損耗，進而影響到整機效率，因此空載電流越小越好。

(5)電感應選用體積小、質量輕的產品；電容元件應充分考慮其安全性，特別是使用金屬化膜電容時應保證其工作電壓在允許的范圍內并有一定的裕量，一般推薦使用電壓不超過額定電壓的一半，當輸出頻率在50 Hz以上時，最好按照實際使用頻率對其熱特性進行測試，簡單的判斷方法是在靜態環境中通電試驗，熱穩定后表面溫升應不超過10 ℃。

輸出變壓器或多或少本身都存在漏感，輸出變壓器設計定型及工藝確定后該漏感將為恒定值。為了節約成本可以利用輸出變壓器的漏感作為輸出濾波電感，在設計和加工過程中控制輸出變壓器漏感在合理的范圍內，可以避免專門設計、安裝濾波電感，從而降低整機成本并減小體積。

LC濾波器參數計算方法建立在新型接觸網電源凈化裝置主要技術指標基礎上。設計之前需要確定主要輸出參數，并確定基本參數，包括：額定輸出電壓及輸出電壓調節范圍、額定輸出頻率及頻率調節范圍、載波頻率(或等效開關頻率)、負載功率因數范圍、負載有功功率、輸入電壓范圍、直流母線電壓范圍、輸入PWM波幅值的變化范圍、變壓器變比。最終確定L、C參數所主要考慮以下4個指標。

(1)要求的輸出電壓諧波含量。用戶對輸出電壓的總諧波含量及單次諧波含量做出規定，輸出電壓波形應滿足該指標。

(2)輸出濾波器的基波電壓增益。在新型接觸網電源凈化裝置輸入電壓達到最低、負載滿載、功率因數最低的條件下，輸出電壓指標能達到規定，并且不發生過調制。

(3)空載條件下，在輸出電壓滿足規定時，輸出濾波器的輸入電流最小。這樣可以使損耗較小，有利于整機效率的提高。

(4)滿足上述3個要求的前提下，使新型接觸網電源凈化裝置對非線性負載的適應性最好。

5 新型接觸網電源凈化裝置的應用

圖5～圖7給出了接觸網電源凈化裝置在太中銀鐵路-板窯車站測試的電網和凈化裝置輸出參數的情況，其中曲線1是接觸網特性，曲線2是接觸網電源凈化裝置輸出特性。

圖5 凈化裝置輸入、輸出諧波變化曲線

圖6 凈化裝置輸入、輸出電壓變化曲線

圖7 凈化裝置輸入、輸出電壓峰值變化曲線

從圖中可見，本新型接觸網電源凈化裝置能有效濾除電壓尖峰，同時功率器件和控制供電系統能適應接觸網電壓諧波含量高，電壓尖峰高的特點，為鐵路站點各類生產、生活用電負荷提供高品質電源。

6 新型接觸網電源凈化裝置的主要技術指標

6.1 輸入指標

(1)電壓

①供電相電壓有效值持續波動在AC 154～308 V范圍內；

②供電相電壓有效值瞬時波動在AC 110～308 V范圍內。

(2)頻率

供電電壓頻率持續波動在50×(1±5) Hz范圍內。

(3)電壓諧波

供電電壓的總諧波失真不大于40%，各奇次諧波失真不大于20%，各偶次諧波失真不大于10%。

6.2 輸出指標

(1)額定輸出電壓：AC 380 V/220 V(三相四線制)。

(2)額定輸出頻率：50 Hz。

(3)頻率穩定精度：1‰。

(4)電壓穩定精度：380 V/220 V±2%(穩態)380 V/220 V±5%(瞬態)。

(5)三相相位差：120°±2°(1/3不平衡負載)。

(6)諧波失真(THD)：≤2%(線性負載)。

(7)三相不平衡能力：100%。

6.3 適應負載能力

(1)三相輸出適應完全不平衡負載使用，即可單相滿功率使用。

(2)適應非線性負載使用。如整流負載，電機負載。

(3)輸出限流工作模式，適應沖擊性負載。如變壓器負載、電動機負載等。

7 結論

介紹了一種高品質的新型接觸網電源凈化裝置，可改善接觸網電源供電質量，為各種用電負荷提供優質、可靠的工作電源，并利于解決從接觸網取電供電時，電源電能質量與用電負荷所需之間的匹配性問題，其各項技術指標既滿足我國電能質量方面的國家標準也符合IEC標準。

本裝置主要特點是通過中間直流環節實現輸入電壓與輸出電壓解耦，避免了輸入電壓諧波對輸出的影響；特別是采用帶有輸出電壓有效值控制及負載電流前饋控制的多環反饋控制方法，進一步優化了輸出的穩態和動態指標；輸出限流技術對沖擊性負載、短路或接近于短路的工作狀態具有較好的承受能力，可滿足電氣化鐵路各類常見負載的供電要求；研究還總結了輸出濾波電路設計時應考慮的因素，希望能對同類裝置的研制提供參考。

新型鐵路接觸網凈化電源裝置為鐵路負荷供電提供了一種新的解決方案和設計思路，并可推廣到其他對電能質量敏感的工礦企業，相比從公共電源取電可節約投資并縮短建設工期。這種供電方式在歐洲國家已經有成熟的應用，同類裝置的供應商有英國CHLORIDE公司、ABB的AVC1和AVC2系列產品，美國SoftSwitching公司的DySC系列產品。

目前我國鐵路正面臨走出去的任務，各類機電設備的輸出也是重中之重，特別是我國目前正在開展設計的塞爾維亞至匈牙利鐵路，接觸網取電裝置要大量使用。新型接觸網電源凈化裝置技術先進，在太中銀鐵路項目上已成功運營5年，穩定、可靠，具備在國際上推廣的實力和前景。

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Study on New Railway Catenary Power Purification Device

LIU Zhuo-hui

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

Comparing the railway catenary power quality with the power supply requirements of common electrical equipment in the railway station and according to the existing approaches to collect power from the catenary at home and abroad， this paper proposes a new railway catenary power purification device. The device uses a DC link as the intermediate process to achieve decoupling between the output voltage and the input voltage， thus effectively solving the problem of poor quality and large fluctuation of the input voltage. The scheme of a multi-loop feedback controller with output voltage RMS feedback and load current feed-forward control is adopted to function the catenary power supply purification device with automatic current limiting protection， which can increase the ability of the power-driven and impact load. The load current feed-forward control enables catenary power purification device to timely regulate subject to load changes， and greatly improves dynamic response. The practical tests in the railway station confirm that the catenary power purification device operates reliably in the case of larger input voltage harmonics， larger range of power fluctuation， higher voltage crest factor， and produces steady outputs and required dynamic indicators to meet the requirements of electrical equipment. This new and advanced device is competitive in both domestic and international markets.

Electrified railway; Collect power from catenary; Harmonic; Contravariant; Voltage stabilization

2016-03-07；

2016-03-27

鐵道部科技研究開發計劃項目(建技科字(2006)第8號)；鐵道第三勘察設計院集團有限公司科研課題。

劉卓輝(1979—)，男，高級工程師，2005年畢業于天津大學電力系統及其自動化專業，工學碩士，E-mail：liuzhuohui518@126.com。

1004-2954(2016)11-0125-05

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.028