动车组牵引与辅助供电的综合直流系统

马颖涛

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081；2.动车组和机车牵引与控制国家重点实验室,北京 100081；3.北京纵横机电科技有限公司，北京 100094）

“复兴号奔驰在祖国广袤的大地上”。“复兴号”动车组的批量运用代表中国的高铁列车已达到世界先进水平[1]。“复兴号”采用了目前最为主流的动力分散架构[2]，即多套牵引装置和辅助供电装置布置在多个车厢。目前牵引变流器之间在电能利用上是相互独立的，辅助变流器通过三相交流母线并联运行[3]，充电机装置通过110 V 直流母线并联运行。

铁路运营商对列车牵引系统和辅助供电系统不断提出新的功能和性能需求[4]，包括应急走行、智能化、高效节能和轻量化等。列车制造商与部件供应商针对特定需求进行了部件层面的改造，例如：为实现应急牵引能力而加装动力电池[5]；为高效节能采用碳化硅功率半导体器件替代传统IGBT[6]；为轻量化研制了中频化辅助变流器[7]；为提升电机效率采用永磁牵引电机[8]。这些单目标的改良虽然可行，但列车牵引系统和辅助供电系统的全局优化空间有限，亟需推进系统层面的创新。

以碳化硅功率半导体为代表的第三代半导体器件正在逐渐渗透电力电子行业。目前碳化硅器件在中低功率的开关电源、太阳能发电和电动汽车等领域已有批量应用。随着碳化硅器件技术的进步与器件等级的提升，以三菱、日立和东芝为代表的日本公司[9]以及以西门子和阿尔斯通为代表的欧洲公司[10-11]都在积极研发碳化硅器件的牵引变流器和辅助变流器，中国的多家企业也在积极跟进。目前这方面研究与应用多集中在器件直接替代方面，而碳化硅器件的诸多优点将使曾经不可行的拓扑应用于轨道交通，唯有从牵引系统和辅助供电系统的整体角度出发，才能够更好地发挥碳化硅器件的优势。

在新需求和新器件的双重背景下，本文将从电能利用的物理本质出发，从能源变换、传输和利用的角度重新审视列车既有的牵引系统和辅助供电系统。借鉴电网[12]、舰船[13]、飞机[14]及通信电源[15]等其他工业领域中直流供电技术和能源互联网技术[16]的最新进展，提出一种面向未来的动车组综合直流系统。通过对比新架构与传统牵引系统和辅助供电系统的特点，讨论综合直流系统的若干关键技术。最后总结综合直流系统的特点，并对未来应用前景进行展望。

1 传统动力分散与综合直流系统的架构

1.1 传统动力分散架构

动力分散架构已在世界范围内成为动车组的主流方案。以某“复兴号”动车组为例介绍其系统架构，如图1 所示。牵引变流器、辅助变流器和充电机等变流器设备分布在不同车厢下。

图1 传统动力分散架构示意Fig.1 Schematic of traditional distributed power architecture

牵引变压器将25 kV/50 Hz 的单相交流电隔离降压后输出给牵引变流器。四象限整流器将牵引变压器输出的交流电整流成直流电，再由牵引逆变器变换为变压变频的交流电，用来驱动牵引电机进行牵引或制动。四象限整流器和牵引逆变器集成在一个箱体内，称为牵引变流器或主变流器。传统的动力分散架构中，牵引变流器彼此独立，缺乏互相支援的能力，且当其某部件发生故障时，通常也会导致与之连接的其他设备停机。

牵引变流器的直流环节引出供给辅助变流器，辅助变流器将直流电转换为三相交流电。多台辅助变流器的输出接入一条贯穿列车的中压交流母线，通常电压制式为380 V 三相交流，也有440 V 三相交流等其他制式。众多的三相交流负载接入该中压交流母线，有冷却风机、水泵、空调和空气压缩机等。辅助变流器也可以集成到牵引变流器中，形成主辅一体的变流器。

充电机是中压交流母线上的负载，其将三相交流电变换为110 V 直流电，负责为蓄电池充电，并为列车提供110 V 控制电源。列车上的110 V 低压直流母线贯穿列车，各种网络控制设备、制动控制器和牵引控制器等负载接入该110 V 低压直流母线。

1.2 综合直流系统的架构

无论是高铁列车的牵引系统还是辅助供电系统，本质上都是对电能的利用，那么回归其物理本质，从能源变换、传输和利用的角度重新审视现有牵引系统和辅助供电系统，将相对独立的车载设备能源互联网化，提出一种面向未来的高铁列车综合直流系统。

该系统由3 级贯穿列车的直流母线构成，分别是高压直流母线、中压直流母线和低压直流母线，如图2 所示。将接入直流电网的各种电能转换和利用装置按照电源或负载进行重新归类。

图2 综合直流系统的架构示意Fig.2 Schematic of architecture of integrated DC system

（1）高压直流母线，电压等级以1 800 V 或3 600 V 为例。四象限整流器作为高压直流电源，将牵引变压器的输出变换为直流电；多台高压直流电源输出并联为高压直流母线供电；所有的牵引逆变器和直流辅助变流器作为负载，从高压直流母线取电；牵引逆变器将直流电转换为交流电，控制电机进行电能与机械能的转换。

（2）中压直流母线，电压等级以600 V 为例。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实现电气隔离，同时可以控制能量双向流动；多台直流辅助变流器输出并联为中压直流母线供电；充电机、变频空调和变频电机作为负载接入中压直流母线；储能设备可以接入中压直流母线，不仅为其提供能量，还通过直流辅助变流器和充电机分别高压直流母线和低压直流母线提供能量。

（3）低压直流母线，电压等级为110 V，与既有传统动力分散架构一致。充电机为低压直流电源。

上述3 级直流母线和各等级的电源与负载共同构成了动车组综合直流系统。直流母线上可配备开关装置如隔离开关、高速断路器或直流接触器。除低压直流母线的能量没有回馈其他电压等级的需求外，中压直流母线、高压直流母线和接触网之间，能量可以双向流动，因此综合直流系统形成了一套独立的能源利用网络。

2 综合直流系统的主要技术特点

综合直流系统将打破传统牵引系统和辅助供电系统的边界，显著提高系统灵活性，为响应未来列车各种智能化需求奠定基础。其具备以下4 点主要技术优势。

2.1 灵活性

综合直流系统中的各级变流器和各级母线构成了一个能源互联网络，与传统变流器之间的相互孤立相比，其架构是灵活的。与互联网相似，该直流系统与硬件基础设施类似，可以在此硬件基础上实现更复杂的控制功能。

该系统既可以在统一的电网模式下运行，也可以被断路器解列成若干段运行。单个部件故障，退出并网即可，显著提高了系统可用性。而传统牵引变流器中，任何部件的故障都会导致整个牵引变流器及其对应辅助变流器退出运行。

各层级直流电源之间可以实现更复杂的功率分配以达到特定目的，例如：轻载时变流器以热备的形式退出运行以提高能源效率；储能装置参与到能量管理中，可实现平抑牵引和制动功率的波动，或在特殊工况下为整个系统提供应急供电和应急自牵引能力。

2.2 高效与轻量化

与交流的辅助供电系统相比，动车组综合直流系统由于辅助供电的直流化具备以下特点：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。辅助变流器与变频负载示意如图3 所示，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。

图3 辅助变流器与变频负载示意Fig.3 Schematic of auxiliary converter and variable frequency load

2.3 便利储能设备接入和多制式

为实现列车的应急供电和应急自牵引，目前已进行了多种储能方案的比选和样车试验[5]。这些探索包括在牵引变流器直流环节加装储能设备、利用110 V 蓄电池进行应急自牵引、在列车中压交流母线上加装储能设备和对动力电池充电和放电回路进行切换。无论哪种方式都有其缺点，必须在技术难度、可靠性、系统效率和性能等方面做取舍。这并非由这些方案或单独某个设备导致的，而是由于既有的系统架构制约了储能设备的接入。在综合直流系统中，考虑动力电池的电压等级、电流等级、绝缘要求和系统效率等因素，可将储能装置接入中压直流母线，由于列车对电能的利用形成了一个网络，非常便于动力电池的接入。系统效率得到保障，更重要的是，储能装置发挥功能不依赖于某个单独的变流器，因此应急供电或应急自牵引时的系统可用性得到显著提升。

由于列车存在一条用于主牵引的高压直流母线，当需要直流供电时，只需要加装独立的输入电路，将直流供电接入高压直流母线即可。因此综合直流系统便于整车的多制式供电设计。

2.4 有利于发挥碳化硅器件优势

一代器件决定一代拓扑和装置，每代器件的进步将使曾经不现实的拓扑变得可行。碳化硅器件有开关损耗较低的显著特点，故更适用于高频场景。

目前成熟应用的各种方案，都是建立在硅基IGBT 这代器件成熟的基础上。在既有系统构架下，仅将IGBT 直接替换为碳化硅器件，带来的改善是有限的。例如，传统的四象限变流器和交流辅助变流器，都需要工频50 Hz 的变压器和电抗器与其共同完成电能变换。因此，即便采用碳化硅器件使开关频率显著提升，但其对工频变压器和电抗器的减重效果也有限。碳化硅需要在新的拓扑电路和系统构架中充分发挥其优点，如综合直流系统中的直流辅助变流器和储能设备等，都是直流变换装置，非常有利于发挥碳化硅器件宜高频、低损耗的优势。

新的拓扑和系统构架也由于碳化硅器件的发展而变得可行。目前电力电子变压器成为研究热点，其可替代传统的牵引变压器和四象限整流器成为综合直流系统中的高压直流电源。碳化硅器件的进步或为该技术的成熟起到关键作用。

3 若干技术挑战

动车组综合直流系统从概念到落地，短期仍面临若干关键问题亟待解决，可从系统和部件两个方面简要阐述，这将是下一步研究探索的重点。

在系统层面，需要针对综合直流系统的系统构架、列车能量管理、直流系统稳定性、直流母线的接入标准、系统保护方案、电压等级和接地方案等主题开展研究工作，形成对关键装置的顶层指标。

在部件层面，需要研制高压直流电源、中压直流电源（直流辅助变流器）和直流高速断路器等关键装置。以综合直流系统为平台，探索以碳化硅为代表的新型半导体器件的应用，探索以电力电子牵引变压器为代表的新型高压直流电源。

4 结论与展望

中国高铁经过十余年来的实践，既有的牵引系统和辅助供电系统已比较成熟，近年来牵引系统和辅助供电系统的热点新技术都集中于某个特定装置或特定新器件的应用。在此背景下，回归电能利用的物理本质和列车的原始需求，重新审视列车牵引和辅助供电系统，提出动车组的综合直流系统概念，这是系统层面的创新，其具备灵活、高效、轻量化、便于储能设备接入和顺应新器件的发展应用等特点。

除了技术优势外，该综合直流系统中所有电气装备都将按照统一的入网标准，显著降低不同装备之间的耦合关系，从而降低装备的技术门槛。因此，通过提升标准化程度促进高铁装备领域更加细致的专业化分工，进而提升市场竞争的强度和活力，有助于降低设备成本和运维成本，提升运输企业效益。

展望一种全新的高铁列车上将具备2 套互联网，不仅有信息的互联网（用于列车控制的实时以太网），还有能源的互联网（综合直流系统），共同构成未来的智能化高铁列车。