摘要：目前我国引入CRH1.CRH2.CRH3.CRH5型动车组，各动车组的辅助供电系统的差别较大，阐述了高速动车组辅助供电系统的结构与功能，系统地介绍了目前运行在我国铁路上的4种高速动车组辅助供电系统，详细地比较并分析了各列车辅助供电系统的电路结构、实现方案以及优缺点。对我国动车辅助供电系统的设计提出建议，提出了今后我国列车辅助供电系统的电压标准建议以及确定辅助供电系统标准结构的思路。
关键词：辅助供电系统；逆变器；整流器；动车组；对比分析
前言：2007年4月18日，中国铁路按照既定计划实施了第6次大面积提速。在这次大提速中，“引进、消化、吸收再创新”的CRH系列动车组扮演了极其重要的角色。因此本文泛称CRH系列动车组为高速动车组。高速动车组技术是各项复杂技术的集合体，而辅助供电系统是高速动车组的重要组成部分之一。为了保证高速动车组长时间的正常运行，列车需要稳定、高效的辅助供电系统为众多辅助设备提供电源。辅助供电系统的优劣直接关系到高速动车组能否正常行驶。
一、高速动车组辅助供电系统综述
高速动车组的辅助供电系统主要包括2部分：交流供电系统和直流供电系统。
交流供电系统主要指从牵引变压器辅助绕组或牵引回路直流环节获取电能开始，到各种制式交流电压输出为止的部分。交流供电系统的任务是输出交流电压，为交流母线提供电源，以及为交流负载供电。
目前，高速动车组的交流供电系统主要有两种形式：交直交型与直交型。
交直交型交流供电系统一般由4部分组成：牵引变压器辅助绕组、辅助整流器、中间直流环节以及辅助逆变器。该供电系统由牵引变压器的辅助绕组提供电源，经过辅助整流器和辅助逆变器的变换，最终输出三相交流电压，供给各交流负载使用。
与交直交型交流供电系统相比，直交型交流供电系统则从机车牵引回路的直流环节取电，经过辅助逆变器实现从直流到交流的变换，最终输出交流电压。一般来说，牵引回路的直流环节电压都较高，直接用该直流电压进行逆变则无法避免因逆变器占空比过低所带来的输出电压正弦度过低的问题。因此，为了保证输出的交流电压值（大约为400 V）与输出电压的正弦度，在直交型电路中必须有降压环节。图2为直交型辅助交流供电系统的两种常见结构。两者的区别在于前一种结构先经过辅助逆变器完成从直流到交流的转变，后经过辅助变压器降压；而后一种结构先通过降压斩波器降压，后经过辅助逆变器实现交流电的输出。
另外，直流供电系统也是辅助供电系统的重要组成部分，也有不同的电路结构。它主要包括：蓄电池充电机、蓄电池以及相应的负载。直流供电系统的任务是给列车内的直流用电设备供电。
二、辅助供电系统变流方式比较
（1）采用直一交供电模式分析
CRH1型动车组采用了多逆变器设计，直接并联到三相交流母线，这样的设计CRH3，CRH5的分单元并联，接触器切换的方案更好。由图可知，在可辅助供电系统总负载功率相同前提下，CRH1型车的逆变器设计容量更小。但是也存在一些问题有待解决，如逆变器之间环流、与交流母线并网的问题。CRHS先经过直一直变换后在进行直一交变换可以降低逆变器开关管的应力；直一直变换所用的高频变压器体积小，节省直一交变流器的体积和重量。
（2）采用交一直一交供电模式的分析
CRH2型动车辅助供电系统采用了设计。当一台牵引变压器出现故障时，输出功率无法满足列车负载的需求。另一台牵引变压器能通过辅助绕组向全车供电，供给那些非稳压的负载设备供电，如电加热系统等。此设计可以降低牵引变压器的额定功率，从而减少设备成本。但增加了主变压器的体积和重量，直接增加了整车的重量，另外牵引变压器辅助绕组和二次绕组存在着锅合会影响辅助绕组的输出电压。
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三、辅助供电系统在非正常工作模式下的比较
辅助供电系统非正常工作式模下指列车没有从接触网获得电能。其中受电弓失电就是情况之一。受电弓失电分为短时失电和持续失电两种状况。短时失电情况是指列车在正常行驶过程中经过“分相区”时，列车控制主断路器断开，受电弓没有将接触网的电引入列车造成失电，列车靠惯性在高速行驶。由表3可知，CRH2型车的辅助供电采用“交一直一交”，其交流负载全部是从牵引变压器的辅助绕组取电，因此在列车过分相区时，交流供电部分由于列车无电完全停止运行，系统通过蓄电池维持直流紧急供电。
而CRHI，CRH3，CRH5型车采取“直一交”式，供电来自牵引变流器的中间直流，当动车过分相区时，可以采用再生制动方式，主整流器逆向工作，牵引电机当做发电机，发出的电能维持牵引变流器中间直流环节电压。在短时失电状态，且速度达到一定值时采取直一交式的动车，其辅助供电系统的负载能够全负荷运行，而不必在每次过分相时都关闭系统。
当受电弓长期失电时可分为无车速和有车速两种情况，若在无车速的情况下，此时两种辅助系统供电方式大致相同，都由蓄电池提供紧急用电，如应急照明灯和通风等，当蓄电池输出电压达到最低放电电压时，紧急供电系统关闭。
当受有车速的情况下，如架线断电，此时动车由其它车辆牵引回送。在牵引过程中，采用直一交式辅助供电系统，在车速到达一定值时，主整流器开始逆向工作，辅助供电系统可以全负载工作。而采用交一直一交式供电系统只能用蓄电池维持紧急照明和通风用电，如果失电时间过长供电的辅助，会严重影响乘坐舒适性和空气质量。由以上的分析可知，采用直一交式供电的辅助供电系统在受电弓失电的情况下要比采用交直交式供电的动车在系统稳定性和乘坐舒适性方面要高得多。
四、辅助供电系统还需考虑到的其它问题
（1）高效、节能是未来高速动车组技术的一个关注点。按照目前的技术，交直、直交或者直直变换器在工作过程中都无法避免能量损耗，同时由于辅助供电系统中流动的能量较大，因此在设计的时候应考虑到“多一级功率变换就多一级的能量损耗”这个概念，在保证供电质量的前提下，以尽可能少的电力电子变换环节来完成辅助供电系统的任务。同时，在电路结构的设计上也应尽可能多使用频率高、效率高的功率变换电路。
（2）由于逆变器的输出大都需要LC滤波环节，采用集中变流、辅助供电母线的方案可以减少逆变器的个数，同时也减少了滤波环节的个数，但是却不能满足不同负载对频率电压的特殊需求；分散变流虽然增加了逆变器与滤波电路的数量，但是却很好地满足了空调压缩机、风机等变频调速设备的不同需要，改善了旅客的乘坐舒适度，同时也很好地实现了节能。是选择集中变流还是分散变流，在设计时需要结合列车的具体情况做出合理的判断。
（3）我国的牵引电网电压单一（单相交流25kV/50 Hz），与欧洲的多种牵引供电制式相比，在某种程度上给机车的设计工作带来了一些便利。设计者可以利用这一现状，避免在设计机车的牵引回路与辅助供电系统的时候，以及在机车实际运行过程当中由多流制供电带来的复杂性。
小结：近几年来，我国通过4种CRH高速动车组技术的“引进、吸收、消化再创新”，已经取得了不小的成果。采用直一交供电方式、从主整流器中间直流环节处取电，采取逆变器并联向三相交流母线供电方案较优。我国在发展高速铁路动车组技术时，首先要结合我国技术水平，先进技术吸收转化，应用到我国特色的动车组上。随着我国科学技术水平的迅速发展，我们有理由相信，我国的高速动车组技术将会得到更快更好的发展，高速动车组也会给我国社会、经济的发展注人更大的动力。
参考文献：
[1]邓小军.国产化CRH2型200 km/h动车组及技术创新[J].机车电传动，2008（l）：1-6.
[2]胡学永，邓学寿.CRH2型200 km/h动车组辅助供电系统[J].机车电传动，2008（5）；1-7.
[3]吴强.机车辅助变流器的技术发展[J].机车电传动，2003（3）：4一7.
论文作者:王洪川
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/24
标签：供电系统论文; 车组论文; 逆变器论文; 电压论文; 绕组论文; 负载论文; 列车论文; 《基层建设》2019年第2期论文;