三相电流平衡控制装置在铁路动车所中的应用

刘卓辉

(中国铁路设计集团有限公司, 天津 300251)

三相电流平衡控制装置在铁路动车所中的应用

刘卓辉

(中国铁路设计集团有限公司, 天津 300251)

为提升动车组检修效率,提出一种基于三相电流动态平衡控制的动车所地面电源装置,用于向动车组提供地面检修供电,以替代传统的交-直-交电源。通过分析交-直-交电源在使用中存在的缺陷,以及造成这些缺陷的原因,提出使用三相负载电流的动态平衡调节技术使其达到平衡状态,避免单相负载对动力变压器及上级配电系统的影响,使负序电流不能进入高压电网,使动力变压器三相负载电流的动态平衡,并讨论以三相电流动态平衡装置为核心的动车运用所地面电源系统的设计。在动车运用所使用该技术可以简化低压配电设计,降低建设投资,统一不同用电制式动车组的供电设计。通过对样机的测试,证实该技术能消除单相用电制式动车组所产生的负序电流。

动车组；动车运用所；地面电源；三相电流动态平衡

1 概述

经过十多年的建设发展，高铁出行成为国民出行优选的交通方式。2016年年底我国高速铁路运营里程达2.2万km，高铁线路规划到2020年建成投产3万km，到2025年达到3.8万km[1]。

铁路动车组运用维护规程规定了动车组在运行一定的公里数或小时数后必须进行计划性预防检修[2]。动车组的一、二级检修通常在路局所辖动车运用所内完成，所内动车组地面电源用于动车组落弓检修过程中向动车组提供外部检修电源。《动车组运用检修设施建设及设备配置标准》规定了动车运用所检查库每条检查线须设置地面电源。每条检查线地面电源兼容车型，依据检修动车组车型及配属各型动车组数量确定。

2 动车组列车对地面供电的要求

我国目前主要运营的动车组包括CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等型号。其中CRH2型动车组地面电源采用单相400V、50 Hz，其他型号动车组的地面供电电源为三相400V、50 Hz。有些在动车运用所要求每条股道都具有向上述任意一种型号动车组供电的能力，即每条股道可向动车组列车提供单相或三相电源[3]，如表1所示。

表1 各型动车组对地面电源的要求

工程设计方案一般是在动车运用所内设置地面电源专用变压器向动车组供电。当向CRH2型动车组供电时，考虑到单相电流对动力变压器及高压电网的不利影响，不采用直接取用单相交流电的方式运行，而是设置交-直-交[4]整流逆变装置将三相电变换为单相后再提供给动车组使用，其目的是保证动力变压器三相输出电流的平衡。

3 现有动车所地面电源的配置及存在的问题

一套完整的动车运用所地面电源系统一般由10 kV高压开关柜、10/0.4 kV动力变压器、整流逆变电源(动车所地面电源)装置、400 V低压开关柜和现场工业连接器等组成。

沿动车运用所内轨道桥(股道)两侧，在轨道桥下设置有若干地面电源插座箱(工业连接器级)，用于收纳与动车组连接的电连接器及其尾部电缆，地面电源插座箱与动车所地面电源变配电设备之间通过母线槽或动力电缆联通。

动车组检修用电具有随机性和间歇性的特点，在最大负荷时其用电量占动车运用所总配电容量的40%左右，因此动车组地面电源一般设置专用变压器供电，不与库内其他用电设备共用变压器[5]。

现有动车组地面电源系统的设计主要有铺设单相/三相双路母线和铺设一路母线通过双路开关切换单相/三相两种[6-9]。图1及图2是两种典型的动车运用所地面电源系统供配电方式。

图1 单相/三相切换的动车运用所地面电源系统

图2 设置专用单相和三相电缆的动车运用所地面电源系统

图1所示的动车运用所地面电源系统中，在单相交-直-交电源的输入和输出侧并联了切换开关。当轨道桥上待检修动车组为CRH1、CRH3、CRH5型时，旁路开关闭合，交-直-交整流逆变电源停机，向地面电源插座箱提供三相电源；轨道桥上待检修动车组为CRH2型时，交-直-交整流逆变电源启动运行，旁路开关断开，向地面电源插座箱提供单相电源。这样就可以在同一条股道上分时检修单相和三相两种供电制式的动车组。沈阳北、长春西动车运用所采取这种供电模式。这种供电系统必须设置可靠的闭锁装置，使得倒闸操作与待通电车型匹配，绝对避免交-直-交整流逆变电源的输出与电网并联运行。随着高速铁路运输量的增加，对动车运用所提出了不同车型可以同股道同时检修的要求，显然采用切换方式的供电模式不能满足这种检修要求。

图2所示的动车运用所地面电源系统设置单相和三相两套独立的供电线路，可以同时对动车组列车提供单相和三相供电，最大程度保证了动车组检修供电要求，满足不同车型同股道同时检修的要求，但由于地面设备需要双套，也使得系统造价高昂。

储罐所储物料发生变化前，一定对待储物料进行组份分析，评估新的物料可能对浮盘造成的影响或危害，防止可能出现的风险，拟定运行方案，定期进行浮盘运行情况检查。同时对储罐储存物料的温度、液位进行合理控制，防止因温度变化导致油品黏度变化对浮盘运行形成影响。

在上述两种供电系统中，都使用了三相变单相的交-直-交整流逆变静变电源，其单台功率通常不小于300 kVA。静变电源的使用避免了向CRH2型车通电时动力变压器输出电流不平衡问题。在动车运用所内，静变电源大多数时间处于空载运行状态或小电流输出状态，综合能源损耗大。需要配置功率较大的温控装置，进一步加剧了能源消耗。

综上所述，现有动车运用所地面电源系统存在的问题为：

(1)常用的两种配电模式不能同时兼顾检修效率和设备造价；

(2)设备本身及附加温控的损耗大。

4 基于三相电流动态平衡控制的新型动车组地面电源

现有及未来动车组(CR400型)的供电制式为单相400V或三相400V，只要能解决单相制式动车组用电时动力变压器输出电流不平衡的问题，就可以使用同一根供电电缆向不同型号的动车组供电，满足不同型号动车组列车同股道同时通电的检修要求。

三相电流动态平衡控制装置通过对动力变压器输出电流的实时控制，实现在任意负载下及其负载变化过程中，动力变压器三相输出电流均处于平衡状态，剩余容量还可以用来控制动力变压器输出侧功率因数，并对低次谐波电流有抑制作用[10]-11]，非常适合用于解决动车组列车地面检修供电的问题。

图3 电路原理图

三相电流动态平衡装置的基本原理是三相自换相桥式电路经过电源开关连接到10/0.4 kV动力变压器低压侧[12]，沿电流流动方向来看，接入点在负载之前。通过检测动力变压器输出的三相电流和电压，控制器计算三相电流正序有功电流分量，与动力变压器三相输出电流进行减法运算，根据计算结果调节三相自换相桥式电路的输出电流，与负载电流叠加后，使动力变压器三相输出电流达到并维持在平衡状态[13]。图3所示为基于三相电流动态平衡装置的新型动车组地面电源电路原理图，其中所示电流方向为单相负载连接于B、C相时的状态。此时，如三相电流动态平衡装置不工作，则只有B、C相有电流；三相电流动态平衡装置开始工作时，可以理解为从A相取得一部分电流，经过整流逆变后补充到B、C两相，从而使得动力变压器A相输出电流增加，B、C两相输出电流减小，最终三相电流达到平衡状态。

其中,φ1为基波电流相位；I为基波正序分量，其值为

5 新型动车运用所地面电源系统

使用三相电流动态平衡控制装置构建动车运用所地面电源系统，可以实现不同型号动车组列车同股道同时维修的要求，系统结构如图4所示。

图4 动车组地面电源系统

相比传统的动车运用所地面电源系统，使用三相电流动态平衡控制装置后，使用一根输出电缆即可实现向单相和三相用电制式的动车组同时供电，且不会造成动力变压器三相输出电流的不平衡。

三相电流动态平衡控制装置在调节不平衡电流后的剩余容量可以用来补偿负载无功，相应地动车所地面电源系统中可以减小电容柜容量或者直接取消电容柜，还可以用来滤除低次谐波电流(11次以下)[16]。

由于三相电流动态平衡控制装置不存在变压器和专门的整流电路，相比交-直-交整流逆变电源具有更高的效率、更低的发热量，同时也使得温控装置容量得以减小。

6 测试情况

对使用三相电流动态平衡控制装置的动车所地面电源进行带载测试，图5、图6分别是单相线性负载、单相非线性负载连接在B、C相时的C电流波形。其中CH1为负载电流、CH2为三相电流动态平衡控制装置输出电流、CH3为动力变压器输出电流。

图5波形表明三相电流动态平衡控制装置的输出电流与负载电流反向，两者叠加后动力变压器C相电流小于负载C相电流，表明不平衡电流得到抑制。动力变压器输出电流相位超前负载电流相位，表明三相电流动态平衡控制装置能够调节动力变压器输出侧功率因数。

图5 对不平衡电流的调节效果

图6波形表明，三相电流动态平衡控制装置输出电流抵消了单相非线性负载的谐波电流，动力变压器输出电流较为平滑。三相电流动态平衡控制装置C相输出电流与负载C相电流的叠加使动力变压器C相输出电流小于负载C相电流，不平衡电流得到抑制。

图6 对谐波电流的抑制效果

测试结果表明，三相电流动态平衡控制装置可以有效控制不平衡电流，在纯单相负载条件下，动力变压器输出电流不平衡度可控制在2%以内(三相电流的最大值与最小值之差与三相平均电流的比值)。在控制负载电流不平衡的同时可以调节负载功率因数，抑制负载电流谐波。

7 结语

通过对现有动车运用所地面电源系统及动车组列车地面检修用电的要求进行分析，指出了以交-直-交整流逆变电源核心的地面电源系统存在性能与成本难以兼顾的缺点。本文提出使用三相电流动态平衡控制装置替代交-直-交整流逆变电源作为动车组地面电源核心设备的设计方案，能够解决实际使用需求与设备成本之间的矛盾，并具有谐波电流治理和负载功率因数调节的额外优点。本文还介绍了三相电流动态平衡控制装置的基本电路和控制方式。

试验数据和波形表明，基于三相电流动态平衡控制的动车所地面电源装置，可以在负载电流不平衡时保证动力变压器输出电流处于平衡状态，同时具有消除负载电流谐波和调节负载功率因数的效果。

本文所提出的设计方案能充分满足动车组列车地面检修要求，统一了不同用电制式动车组的地面供电电源系统设计，并具有建设成本低的优点。

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Application of Three-phase Current Balance Control Device in Railway EMU Depot

LIU Zhuo-hui

(China Railway Design Corporation, Tianjin 300251, China)

In order to improve the overhaul efficiency of the bullet train, a new ground power supply unit based on three-phase current dynamic balance control is proposed to provide power supply for ground maintenance of high speed emus, instead of the conventional AC DC AC power supply. Through the analysis of the shortcomings of the existing traditional AC-DC-AC EMU ground power, and the causes of these defects, the dynamic balance using the three-phase load current regulation technology is put forward to reach the equilibrium state, avoid the single-phase load impact on power transformer and power distribution upper system. As a result, the negative sequence current can not enter the high voltage network, and the three-phase load current of the power transformer is balanced dynamically. The use of this technology can simplify the design of low voltage power distribution, reduce the construction investment, and unify the design of power supply for different power systems. The design scheme of the power system based on three-phase dynamic balancing device is discussed. The test of the prototype proves that the technology can completely eliminate the negative sequence current generated by the single-phase EMU.

EMU; EMU service depot; Ground power; Dynamic balance of three-phase current

1004-2954(2018)01-0119-04

2017-05-11；

2017-06-25

中国铁路设计集团有限公司科技开发课题(721732)

刘卓辉(1979—)，男，高级工程师，2005年毕业于天津大学电力系统及其自动化专业，工学硕士，E-mail:liuzhuohui518@126.com。

U223.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201705110003