動車組牽引與輔助供電的綜合直流系統(tǒng)

馬穎濤

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2.動車組和機(jī)車牽引與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081；3.北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094）

“復(fù)興號奔馳在祖國廣袤的大地上”?！皬?fù)興號”動車組的批量運(yùn)用代表中國的高鐵列車已達(dá)到世界先進(jìn)水平[1]?！皬?fù)興號”采用了目前最為主流的動力分散架構(gòu)[2]，即多套牽引裝置和輔助供電裝置布置在多個車廂。目前牽引變流器之間在電能利用上是相互獨(dú)立的，輔助變流器通過三相交流母線并聯(lián)運(yùn)行[3]，充電機(jī)裝置通過110 V 直流母線并聯(lián)運(yùn)行。

鐵路運(yùn)營商對列車牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)不斷提出新的功能和性能需求[4]，包括應(yīng)急走行、智能化、高效節(jié)能和輕量化等。列車制造商與部件供應(yīng)商針對特定需求進(jìn)行了部件層面的改造，例如：為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急牽引能力而加裝動力電池[5]；為高效節(jié)能采用碳化硅功率半導(dǎo)體器件替代傳統(tǒng)IGBT[6]；為輕量化研制了中頻化輔助變流器[7]；為提升電機(jī)效率采用永磁牽引電機(jī)[8]。這些單目標(biāo)的改良雖然可行，但列車牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)的全局優(yōu)化空間有限，亟需推進(jìn)系統(tǒng)層面的創(chuàng)新。

以碳化硅功率半導(dǎo)體為代表的第三代半導(dǎo)體器件正在逐漸滲透電力電子行業(yè)。目前碳化硅器件在中低功率的開關(guān)電源、太陽能發(fā)電和電動汽車等領(lǐng)域已有批量應(yīng)用。隨著碳化硅器件技術(shù)的進(jìn)步與器件等級的提升，以三菱、日立和東芝為代表的日本公司[9]以及以西門子和阿爾斯通為代表的歐洲公司[10-11]都在積極研發(fā)碳化硅器件的牽引變流器和輔助變流器，中國的多家企業(yè)也在積極跟進(jìn)。目前這方面研究與應(yīng)用多集中在器件直接替代方面，而碳化硅器件的諸多優(yōu)點(diǎn)將使曾經(jīng)不可行的拓?fù)鋺?yīng)用于軌道交通，唯有從牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)的整體角度出發(fā)，才能夠更好地發(fā)揮碳化硅器件的優(yōu)勢。

在新需求和新器件的雙重背景下，本文將從電能利用的物理本質(zhì)出發(fā)，從能源變換、傳輸和利用的角度重新審視列車既有的牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)。借鑒電網(wǎng)[12]、艦船[13]、飛機(jī)[14]及通信電源[15]等其他工業(yè)領(lǐng)域中直流供電技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[16]的最新進(jìn)展，提出一種面向未來的動車組綜合直流系統(tǒng)。通過對比新架構(gòu)與傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，討論綜合直流系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)。最后總結(jié)綜合直流系統(tǒng)的特點(diǎn)，并對未來應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 傳統(tǒng)動力分散與綜合直流系統(tǒng)的架構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)動力分散架構(gòu)

動力分散架構(gòu)已在世界范圍內(nèi)成為動車組的主流方案。以某“復(fù)興號”動車組為例介紹其系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。牽引變流器、輔助變流器和充電機(jī)等變流器設(shè)備分布在不同車廂下。

圖1 傳統(tǒng)動力分散架構(gòu)示意Fig.1 Schematic of traditional distributed power architecture

牽引變壓器將25 kV/50 Hz 的單相交流電隔離降壓后輸出給牽引變流器。四象限整流器將牽引變壓器輸出的交流電整流成直流電，再由牽引逆變器變換為變壓變頻的交流電，用來驅(qū)動牽引電機(jī)進(jìn)行牽引或制動。四象限整流器和牽引逆變器集成在一個箱體內(nèi)，稱為牽引變流器或主變流器。傳統(tǒng)的動力分散架構(gòu)中，牽引變流器彼此獨(dú)立，缺乏互相支援的能力，且當(dāng)其某部件發(fā)生故障時，通常也會導(dǎo)致與之連接的其他設(shè)備停機(jī)。

牽引變流器的直流環(huán)節(jié)引出供給輔助變流器，輔助變流器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。多臺輔助變流器的輸出接入一條貫穿列車的中壓交流母線，通常電壓制式為380 V 三相交流，也有440 V 三相交流等其他制式。眾多的三相交流負(fù)載接入該中壓交流母線，有冷卻風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)和空氣壓縮機(jī)等。輔助變流器也可以集成到牽引變流器中，形成主輔一體的變流器。

充電機(jī)是中壓交流母線上的負(fù)載，其將三相交流電變換為110 V 直流電，負(fù)責(zé)為蓄電池充電，并為列車提供110 V 控制電源。列車上的110 V 低壓直流母線貫穿列車，各種網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、制動控制器和牽引控制器等負(fù)載接入該110 V 低壓直流母線。

1.2 綜合直流系統(tǒng)的架構(gòu)

無論是高鐵列車的牽引系統(tǒng)還是輔助供電系統(tǒng)，本質(zhì)上都是對電能的利用，那么回歸其物理本質(zhì)，從能源變換、傳輸和利用的角度重新審視現(xiàn)有牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)，將相對獨(dú)立的車載設(shè)備能源互聯(lián)網(wǎng)化，提出一種面向未來的高鐵列車綜合直流系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由3 級貫穿列車的直流母線構(gòu)成，分別是高壓直流母線、中壓直流母線和低壓直流母線，如圖2 所示。將接入直流電網(wǎng)的各種電能轉(zhuǎn)換和利用裝置按照電源或負(fù)載進(jìn)行重新歸類。

圖2 綜合直流系統(tǒng)的架構(gòu)示意Fig.2 Schematic of architecture of integrated DC system

（1）高壓直流母線，電壓等級以1 800 V 或3 600 V 為例。四象限整流器作為高壓直流電源，將牽引變壓器的輸出變換為直流電；多臺高壓直流電源輸出并聯(lián)為高壓直流母線供電；所有的牽引逆變器和直流輔助變流器作為負(fù)載，從高壓直流母線取電；牽引逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，控制電機(jī)進(jìn)行電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

（2）中壓直流母線，電壓等級以600 V 為例。直流輔助變流器作為中壓直流電源，將高壓直流母線降壓并實(shí)現(xiàn)電氣隔離，同時可以控制能量雙向流動；多臺直流輔助變流器輸出并聯(lián)為中壓直流母線供電；充電機(jī)、變頻空調(diào)和變頻電機(jī)作為負(fù)載接入中壓直流母線；儲能設(shè)備可以接入中壓直流母線，不僅為其提供能量，還通過直流輔助變流器和充電機(jī)分別高壓直流母線和低壓直流母線提供能量。

（3）低壓直流母線，電壓等級為110 V，與既有傳統(tǒng)動力分散架構(gòu)一致。充電機(jī)為低壓直流電源。

上述3 級直流母線和各等級的電源與負(fù)載共同構(gòu)成了動車組綜合直流系統(tǒng)。直流母線上可配備開關(guān)裝置如隔離開關(guān)、高速斷路器或直流接觸器。除低壓直流母線的能量沒有回饋其他電壓等級的需求外，中壓直流母線、高壓直流母線和接觸網(wǎng)之間，能量可以雙向流動，因此綜合直流系統(tǒng)形成了一套獨(dú)立的能源利用網(wǎng)絡(luò)。

2 綜合直流系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)

綜合直流系統(tǒng)將打破傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)的邊界，顯著提高系統(tǒng)靈活性，為響應(yīng)未來列車各種智能化需求奠定基礎(chǔ)。其具備以下4 點(diǎn)主要技術(shù)優(yōu)勢。

2.1 靈活性

綜合直流系統(tǒng)中的各級變流器和各級母線構(gòu)成了一個能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)變流器之間的相互孤立相比，其架構(gòu)是靈活的。與互聯(lián)網(wǎng)相似，該直流系統(tǒng)與硬件基礎(chǔ)設(shè)施類似，可以在此硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制功能。

該系統(tǒng)既可以在統(tǒng)一的電網(wǎng)模式下運(yùn)行，也可以被斷路器解列成若干段運(yùn)行。單個部件故障，退出并網(wǎng)即可，顯著提高了系統(tǒng)可用性。而傳統(tǒng)牽引變流器中，任何部件的故障都會導(dǎo)致整個牽引變流器及其對應(yīng)輔助變流器退出運(yùn)行。

各層級直流電源之間可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功率分配以達(dá)到特定目的，例如：輕載時變流器以熱備的形式退出運(yùn)行以提高能源效率；儲能裝置參與到能量管理中，可實(shí)現(xiàn)平抑牽引和制動功率的波動，或在特殊工況下為整個系統(tǒng)提供應(yīng)急供電和應(yīng)急自牽引能力。

2.2 高效與輕量化

與交流的輔助供電系統(tǒng)相比，動車組綜合直流系統(tǒng)由于輔助供電的直流化具備以下特點(diǎn)：可以有效提高供電容量與電能質(zhì)量；不存在交流系統(tǒng)必然伴生的無功傳遞、頻率穩(wěn)定性問題，以及接入整流負(fù)載時交流電壓畸變等諸多問題；減少傳統(tǒng)交流的輔助供電系統(tǒng)中整流性負(fù)載（如變頻空調(diào)、調(diào)速風(fēng)機(jī)）的整流環(huán)節(jié)，直接改為直流供電，從而降低電能損耗和容量需求，從根本上提升輕量化水平。

隨著技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能降耗的需求，整流性負(fù)載（如變頻空調(diào)、調(diào)速風(fēng)機(jī)）應(yīng)用逐漸廣泛。這類負(fù)載內(nèi)部都要首先通過整流器將三相交流供電變?yōu)橹绷?，然后再通過逆變器驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)等電機(jī)負(fù)載。新綜合直流系統(tǒng)中，將一并省去輔助變流器中的逆變環(huán)節(jié)和負(fù)載中的整流環(huán)節(jié)。輔助變流器與變頻負(fù)載示意如圖3 所示，傳統(tǒng)的交流輔助變流器將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電380 V，而變頻空調(diào)則需先整流再逆變。若輔助供電的制式改為中壓直流，則輔助變流器和用電負(fù)載可以省去逆變和整流環(huán)節(jié)，總體效率有望提高5%以上。隨著未來此類調(diào)速負(fù)載比例的逐漸升高，上述特點(diǎn)將更加凸顯。

圖3 輔助變流器與變頻負(fù)載示意Fig.3 Schematic of auxiliary converter and variable frequency load

2.3 便利儲能設(shè)備接入和多制式

為實(shí)現(xiàn)列車的應(yīng)急供電和應(yīng)急自牽引，目前已進(jìn)行了多種儲能方案的比選和樣車試驗(yàn)[5]。這些探索包括在牽引變流器直流環(huán)節(jié)加裝儲能設(shè)備、利用110 V 蓄電池進(jìn)行應(yīng)急自牽引、在列車中壓交流母線上加裝儲能設(shè)備和對動力電池充電和放電回路進(jìn)行切換。無論哪種方式都有其缺點(diǎn)，必須在技術(shù)難度、可靠性、系統(tǒng)效率和性能等方面做取舍。這并非由這些方案或單獨(dú)某個設(shè)備導(dǎo)致的，而是由于既有的系統(tǒng)架構(gòu)制約了儲能設(shè)備的接入。在綜合直流系統(tǒng)中，考慮動力電池的電壓等級、電流等級、絕緣要求和系統(tǒng)效率等因素，可將儲能裝置接入中壓直流母線，由于列車對電能的利用形成了一個網(wǎng)絡(luò)，非常便于動力電池的接入。系統(tǒng)效率得到保障，更重要的是，儲能裝置發(fā)揮功能不依賴于某個單獨(dú)的變流器，因此應(yīng)急供電或應(yīng)急自牽引時的系統(tǒng)可用性得到顯著提升。

由于列車存在一條用于主牽引的高壓直流母線，當(dāng)需要直流供電時，只需要加裝獨(dú)立的輸入電路，將直流供電接入高壓直流母線即可。因此綜合直流系統(tǒng)便于整車的多制式供電設(shè)計(jì)。

2.4 有利于發(fā)揮碳化硅器件優(yōu)勢

一代器件決定一代拓?fù)浜脱b置，每代器件的進(jìn)步將使曾經(jīng)不現(xiàn)實(shí)的拓?fù)渥兊每尚?。碳化硅器件有開關(guān)損耗較低的顯著特點(diǎn)，故更適用于高頻場景。

目前成熟應(yīng)用的各種方案，都是建立在硅基IGBT 這代器件成熟的基礎(chǔ)上。在既有系統(tǒng)構(gòu)架下，僅將IGBT 直接替換為碳化硅器件，帶來的改善是有限的。例如，傳統(tǒng)的四象限變流器和交流輔助變流器，都需要工頻50 Hz 的變壓器和電抗器與其共同完成電能變換。因此，即便采用碳化硅器件使開關(guān)頻率顯著提升，但其對工頻變壓器和電抗器的減重效果也有限。碳化硅需要在新的拓?fù)潆娐泛拖到y(tǒng)構(gòu)架中充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，如綜合直流系統(tǒng)中的直流輔助變流器和儲能設(shè)備等，都是直流變換裝置，非常有利于發(fā)揮碳化硅器件宜高頻、低損耗的優(yōu)勢。

新的拓?fù)浜拖到y(tǒng)構(gòu)架也由于碳化硅器件的發(fā)展而變得可行。目前電力電子變壓器成為研究熱點(diǎn)，其可替代傳統(tǒng)的牽引變壓器和四象限整流器成為綜合直流系統(tǒng)中的高壓直流電源。碳化硅器件的進(jìn)步或?yàn)樵摷夹g(shù)的成熟起到關(guān)鍵作用。

3 若干技術(shù)挑戰(zhàn)

動車組綜合直流系統(tǒng)從概念到落地，短期仍面臨若干關(guān)鍵問題亟待解決，可從系統(tǒng)和部件兩個方面簡要闡述，這將是下一步研究探索的重點(diǎn)。

在系統(tǒng)層面，需要針對綜合直流系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架、列車能量管理、直流系統(tǒng)穩(wěn)定性、直流母線的接入標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)保護(hù)方案、電壓等級和接地方案等主題開展研究工作，形成對關(guān)鍵裝置的頂層指標(biāo)。

在部件層面，需要研制高壓直流電源、中壓直流電源（直流輔助變流器）和直流高速斷路器等關(guān)鍵裝置。以綜合直流系統(tǒng)為平臺，探索以碳化硅為代表的新型半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，探索以電力電子牽引變壓器為代表的新型高壓直流電源。

4 結(jié)論與展望

中國高鐵經(jīng)過十余年來的實(shí)踐，既有的牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)已比較成熟，近年來牽引系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)的熱點(diǎn)新技術(shù)都集中于某個特定裝置或特定新器件的應(yīng)用。在此背景下，回歸電能利用的物理本質(zhì)和列車的原始需求，重新審視列車牽引和輔助供電系統(tǒng)，提出動車組的綜合直流系統(tǒng)概念，這是系統(tǒng)層面的創(chuàng)新，其具備靈活、高效、輕量化、便于儲能設(shè)備接入和順應(yīng)新器件的發(fā)展應(yīng)用等特點(diǎn)。

除了技術(shù)優(yōu)勢外，該綜合直流系統(tǒng)中所有電氣裝備都將按照統(tǒng)一的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，顯著降低不同裝備之間的耦合關(guān)系，從而降低裝備的技術(shù)門檻。因此，通過提升標(biāo)準(zhǔn)化程度促進(jìn)高鐵裝備領(lǐng)域更加細(xì)致的專業(yè)化分工，進(jìn)而提升市場競爭的強(qiáng)度和活力，有助于降低設(shè)備成本和運(yùn)維成本，提升運(yùn)輸企業(yè)效益。

展望一種全新的高鐵列車上將具備2 套互聯(lián)網(wǎng)，不僅有信息的互聯(lián)網(wǎng)（用于列車控制的實(shí)時以太網(wǎng)），還有能源的互聯(lián)網(wǎng)（綜合直流系統(tǒng)），共同構(gòu)成未來的智能化高鐵列車。