高速动车组辅助供电系统直流微网拓扑技术

高速动车组辅助供电系统直流微网拓扑技术

陈登升，裴春兴，张秋敏，王冬卫，安在秋

（唐山轨道客车有限责任公司　产品与技术研究中心，河北唐山063035）

摘要：介绍了基于高速动车组辅助供电系统直流微网拓扑技术的工作原理，对直流微网供电电路拓扑原理进行了分析。为验证理论分析和计算的正确性，对整列车的直流微网辅助供电系统进行了系统仿真分析。

关键词：直流微网； 辅助供电系统； 仿真分析

1.技术背景

    目前既有高速动车组辅助供电系统同时存在交流配电网（3AC380V/50Hz）和直流配电网（DC110V），辅助供电系统中辅助变流装置及输电线缆存在重量和体积过大的严重问题，例如“复兴号”动车组CR400中辅助变流器装置使用了重量和体积庞大的工频变压器实现降压、贯穿全车的交直流配电网电缆数量多且重量重，此外全列车的辅助供电系统缺乏有效的能量调度管理，导致全列车的辅助能耗居高不下。因此，为了解决现有列车供配电设备功率密度低、列车辅助供电系统能耗高等问题，开展适用于轨道交通车辆的中压直流微网辅助供电系统研究具有重大的意义，可以有效的减轻车载辅助供电装置及输配线缆的体积和重量， 并能进一步减小损耗、优化能量调度管理，进一步提升辅助供电系统效率。

2高速动车组直流微网供电拓扑结构研究

与交流配电网类似，高速动车组直流微网从架构层次上也是多级直流配电网互联的网络，可以分为高压直流配电网、中压直流配电网、低压直流配电网等。各级配电网面向负荷的电压等级不同，其功能不尽相同，各级直流微电网相互配合和补充。而直流微网的系统架构涉及到系统供电质量、安全性、可靠性和经济性等问题，对高速动车组直流微网供电的标准形成具有重要意义。

2.1直流微网拓扑结构设计的关键因素

拓扑结构设计是直流微电网规划和建设的基础，合理的拓扑设计能够提高负荷供电可靠性，最大化利用分布式电源，实现微电网的经济运行。为此，在进行直流微电网拓扑结构设计前， 需要找出影响网络拓扑设计的关键因素， 并对影响因素进行深入分析。

作者简介：陈登升 （1979－），河北唐山人，工程师

裴春兴 （1982－），河北唐山人，高级工程师

张秋敏（1985－），河北唐山人，工程师

王冬卫（1986－），河北邯郸人，工程师

安在秋（1995－），河北唐山人，工程师

2.1.1负荷的分布与与类型

高速动车组交流负荷和直流负荷的数量、类型和分布决定了对供电网络拓扑的需求，进行拓扑设计时需要对列车各车厢负荷的分布与类型进行统计分析。可能出现以下几种情况：负荷是以交流负荷为主还是以直流负荷为主；负荷是集中分布还是比较分散；不同的情况对供电网络拓扑的要求也是不一样的，包括母线（分段）的设置、电压等级的选择等。

2.1.2供电可靠性

不同的负荷对供电可靠性要求有所不同，而可靠性的高低也影响拓扑类型的选择，例如，放射型结构简单，一次性投资少，具有较好的经济性，但是可靠性较低，适合可靠性要求不高的负荷。环型结构和两端供电结构可靠性高，但投资大，经济性较差，适合可靠性要求高的负荷。 负荷按照重要性不同， 可以分为 I 类负荷、 II 类负荷、 III 类负荷。 I 类、 II 类负荷所占比例和分布直接影响配电网拓扑设计的选择。

（1）对于 I 类、 II 类负荷所占比例较高且分布较为集中的区域， 直流微电网应具备保证重要负荷不间断供电的能力，可以从多回路供电和配置储能装置等方面进行拓扑设计。 

（2）对于 III 类负荷所占比例较高的区域，供电可靠性要求不高，简单的放射型拓扑即可满足要求。

2.2直流微网供电系统电压等级序列

制定电压等级应当遵守“几何均值”和“舍二取三”的原则，电压等级序列中每个电压才是经济电压，可以有效降低电网的综合费用。电压等级的制定还应考虑到未来负荷需求、设备制造水平以及电网结构优化、配电方式、交流配电网的过度改造等方面的约束，同时，还应考虑到不同电压等级下的供电能力、经济性与可靠性。

（1）制定直流微电网电压等级的约束条件

直流微电网电压等级的制定需要考虑一些约束条件，例如应用城市供电的直流微电网，城市规模不断扩大导致部分地区负荷密度过大；在未来列车供电网中，动力电池、燃料电池等分布式能源大量接入电网，不同用电负荷对用电量和电能质量的需求不断提升，变频空调、变频风机、不间断电源等与直流电源充电、放电息息相关的事物逐渐进入轨道交通车辆，多级直流电网需要为其提供合理的接入电压等级。这些对直流微电网电压等级的选取提出了很多约束条件。

（2）电压序列

与交流供电类似，直流微电网未来发展方向也应该是多级配电网的相互配合和补充。因此，如何确定各级直流电网电压等级是一个关键问题。同时，电压等级序列的制定是电网规划的基础，需要具备高度前瞻性。目前国内400V±2001电压等级便于与现有交流380V进行连接，而且是目前较为规范的直流电压等级，也满足各类设备直接适用的电压等级。

（3）供电能力

供电能力分析主要包括送电容量和送电距离的计算。直流双极供电线路的首末端电压差与供电电压的比值eu可表示为：

相同输送距离情况下，输送容量相同时，电压损耗率和直流电压的平方成反比，即电压等级越高，电压损耗相对越小。在直流供电网中，电压损耗率与线损率在数值上是一致的。

（4）经济性与可靠性

与交流供电网相比，直流微电网具有变换器占地面积小、线路建设成本低、线路损耗小、无需无功补偿装置等特点，理论上具备更好的经济效益。

结合以上4点约束条件，对于应用于高速动车组的直流微网供电系统而言，可以选用直流600-750V和直流110V供电电压等级，比较适用于现有的车载空调、风机、水泵等负载的供电需求，且与现有的 DC110V直流供电系统的设置相匹配。

2.3高速动车组直流微网供电系统仿真

2.3.1高速动车组直流微网供电系统仿真模型

在 PLECS仿真软件中搭建了如图2-1所示的高速动车组直流微网供电系统仿真。

图2-1列车直流微网辅助供电系统仿真

图2-2-图2-5给出了1-4节车厢的供电系统仿真架构图，与5-8车的供电系统基本一样。高速动车组采用四动四拖架构来分散列车的动力来源，按照分类可以将列车分为动车和拖车两大类。车厢 M02、MC04、MC05和 MC07为动车车厢，车厢中直流辅助变流器作为中压直流电源，将高压直流母线降压并为600V中压直流母线供电。在动车车厢中，变频空调、牵引电机冷却风机和牵引变压器冷却风机作为电机负载并联在600V中压母线。车厢中的三相逆变器从600 V中压直流母线上获取电能并转换为三相380 V交流电供车厢内部的开水炉、车厢客室插座等交流负荷供电。在无动力拖车TC01和 TC08车厢辅助供电系统中，充电机从600V中压直流母线上获取电能为110V低压直流母线供电，低压直流母线为列车中控制系统、照明系统、通风系统、广播系统等辅助设施以及蓄电池供电。无动力拖车 TP03和 TP06车厢带有受电弓，车厢内含有牵引变压器，因此牵引变压器冷却风机和牵引变压器油泵负载并联在600V中压母线。

图2-2 TC01车厢直流微网供电系统架构

图2-3 M02车厢直流微网供电系统架构

图2-4 TP03车厢直流微网供电系统架构

图 2-5 MC04车厢直流微网供电系统架构

2.3.2高速动车组直流微网供电系统仿真

基于 PLECS软件搭建的高速动车组直流微网供电系统仿真，图3-26展示了高速动车组直流微网供电系统中600V中压直流母线电压、380V三相交流母线电压以及110V低压直流母线电压的波形图。从波形图中可以看出， 中压直流母线电压稳定在600V，低压直流母线电压保持在110V，380V三相交流母线相电压稳定在311V，且正弦波度良好。仿真结果同时验证了所提高速动车组直流微网供电系统方案的可行性。

图2-6 600V中压直流母线、110V低压直流母线、380V三相交流母线电压

在高速列车直流微网供电系统中，变频空调、变频电机这类电机负载可以直接并联在600V中压直流母线，省去了传统的整流环节。这类负载内部通过逆变器将600V直流电逆变成三相交流电，然后驱动空调压缩机和冷却风机等电机负载。负载模型如图2-7所示，由三相逆变电路和异步电机组成。

图2-7 空调、变频电机等电机类负载

在高速列车中，每个车厢内均含有空调负载，单个车厢内空调最大功率约为55kW。在高速动车供电系统仿真中采用异步电机来代替空调负载，异步电机采用 V-F控制。设定电机在55kW满载功率运行时， 逆变器输出的线电压为380V， 频率为80Hz。仿真结果图2-8给出了空调负载在80Hz和40Hz工况下， 逆变器输出的线电压和线电流的稳态波形图。

（a）频率80Hz模型                 （b）频率40Hz模型

图2-8  空调负载波形

在提出的高速动车架构中，按照不同车厢类型，冷却风机负载可以分为两种。在动车车厢(M02、 MC04、 MC05和 MC07)中存在大功率牵引电机和牵引变流器， 因此动车车厢中牵引电机冷却风机和牵引变流器冷却风机作为电机负载并联在600V中压直流母线。在 PLECS仿真中牵引电机冷却风机和牵引变流器冷却风机总功率设定为15kW，电机采用 V-F控制，并设定电机在15kW满载功率运行时，逆变器输出的线电压为380V，频率为80Hz。仿真结果图2-9给出了牵引电机冷却风机和牵引变流器冷却风机负载在80Hz和40Hz工况下， 逆变器输出的线电压和线电流的稳态波形图。

（a）频率80Hz波形                   (b)频率40Hz波形

图 2-9 牵引电机冷却风机和牵引变流器冷却风机负载波形

带受电弓的无动力拖车中含有牵引变压器，因此牵引变压器冷却风机和牵引变压器油泵作为电机负载并联在600V中压直流母线。在PLECS仿真中牵引变压器冷却风机和牵引变压器油泵设定为6kW，电机采用V-F控制，并设定电机在6kW满载功率运行时，逆变器输出的线电压为380V，频率为80Hz。仿真结果图2-10给出了牵引电机冷却风机和牵引变流器冷却风机负载在80Hz和40Hz工况下，逆变器输出的线电压和线电流的稳态波形图

图2-10 牵引变压器冷却风机和牵引变压器油泵负载波形

3结论

直流微网辅助供电系统确实能够降低辅助供电系统设备的体积和重量，并降低硬件成本，节约安装空间。直流微网系统由于辅助供电的直流化，可以有效提高供电容量与电能质量，不存在交流系统必然伴生的无功传递、频率稳定性问题，以及接入整流负载时交流电压畸变等诸多问题，减少传统交流的辅助供电系统中整流性负载（如变频空调、调速风机）的整流环节，直接改为直流供电，从而降低电能损耗和容量需求，从根本上提升轻量化水平。随着技术的发展和节能降耗的需求，整流性负载（如变频空调、调速风机）应用逐渐广泛。这类负载内部都要首先通过整流器将三相交流供电变为直流，然后再通过逆变器驱动空调压缩机和风机等电机负载。新综合直流系统中，将一并省去辅助变流器中的逆变环节和负载中的整流环节。传统的交流辅助变流器将直流电转化为三相交流电380 V，而变频空调则需先整流再逆变。若辅助供电的制式改为中压直流，则辅助变流器和用电负载可以省去逆变和整流环节，总体效率有望提高5%以上。随着未来此类调速负载比例的逐渐升高，上述特点将更加凸显。