牽引變流器技術(shù)及經(jīng)濟效益分析

　　1 引言

　　多年來(lái)我對機車(chē)上的牽引變頻器稱(chēng)為變流器總有些茫然，我們通常稱(chēng)交流變直流或直流變交流的設備為變流器。機車(chē)變流器分明是將50hz交流，變?yōu)?～50hz變化頻率的交流，應屬變頻器，為何稱(chēng)變流器？冥冥之中似有些怨忿，又有所期待。

　　圖1所示的和諧5型動(dòng)車(chē)組牽引變流器結構組成圖，其機車(chē)的外形圖如圖2所示。

　　我國高鐵呈現井噴式發(fā)展。剛剛通過(guò)486.1km/h運營(yíng)線(xiàn)路速的世界紀錄，今年又將打破法國阿爾斯通570km/h的試驗線(xiàn)路速度世界紀錄，共有600多份國際合作合同正在洽談中。我們心曠神怡！我們意氣風(fēng)發(fā)！

　　沒(méi)有隱憂(yōu)了么？遠遠不是。國際上稱(chēng)我們的高鐵是“山寨版”；牽引變流器仍然由西門(mén)子、阿爾斯通、龐巴迪、川琦壟斷；一列動(dòng)車(chē)組兩億人民幣，變流器就超過(guò)了一個(gè)億；機車(chē)過(guò)分相困擾依舊；電氣化鐵路仍是公共電網(wǎng)的頭號“壞孩子”。怎樣去掉隱憂(yōu)？怎樣笑得更舒心？

圖1 和諧5型動(dòng)車(chē)組牽引變流器結構組成圖

　　2 需要解決高鐵面臨的問(wèn)題

　　小打小鬧已無(wú)法適應高鐵no.1的情懷，徹底解決高鐵面臨的問(wèn)題要鋪開(kāi)多長(cháng)的戰線(xiàn)呢？又有多少問(wèn)題需要我們解決呢？

　　(1)具有完全自主知識產(chǎn)權，要不同于現有的技術(shù)路線(xiàn)；

　　(2)解決機車(chē)過(guò)分相難題，實(shí)現貫通供電；

　　(3)不干擾公共電網(wǎng)，無(wú)功、負序、諧波、負荷率全面滿(mǎn)足電網(wǎng)期望；

　　(4)系統成本和變流器成本要低于現有技術(shù)相關(guān)成本。

　　現有高鐵供電方式是：每30km左右設一牽引變電所，三相進(jìn)線(xiàn)，單相出線(xiàn)。每個(gè)變電所換一次相，即30km有一個(gè)換相點(diǎn)。換相點(diǎn)用一段絕緣體連接2個(gè)相電壓，機車(chē)通過(guò)時(shí)稱(chēng)為過(guò)分相。此時(shí)機車(chē)要進(jìn)行復雜的換相作業(yè)，機車(chē)失去供電，還要用回饋制動(dòng)提供輔助設備供電。到達另一相時(shí)車(chē)速降低很多，并且要忍受一次過(guò)流沖擊，操作不當時(shí)產(chǎn)生拉弧燒蝕現象。由于動(dòng)車(chē)速度極快，幾分鐘就過(guò)一次分相，動(dòng)車(chē)司機面臨很大精神壓力。由于無(wú)法貫通供電，每個(gè)變電所獨自負擔區間內的全部機車(chē)負荷，高峰時(shí)達四列機車(chē)，許多時(shí)間又空無(wú)一車(chē)。按照規范規定須按高峰配置容量，平均負荷率不足10%，負荷率太低是造成牽引供電系統高成本、高損耗、高排放物質(zhì)的主要原因。電網(wǎng)側的困難是：因單相取電，造成負序電流極大，嚴重影響電網(wǎng)質(zhì)量。以及功率因數低、諧波高，高鐵成為電網(wǎng)中最為嚴重的有害負荷。

圖2 第二牽引動(dòng)力系統電路示意圖

　　3 工藝說(shuō)明

　　以和諧5原型為基礎，說(shuō)明高鐵動(dòng)車(chē)現狀。

　　和諧5共有兩組相同的、可相互支援的牽引動(dòng)力系統。圖2所示為第二牽引動(dòng)力系統電路示意圖。

　　由圖2可見(jiàn)受電弓pnt2接牽引變壓器(紅色)，后經(jīng)接地輪接鋼軌。變壓器副邊經(jīng)高壓開(kāi)關(guān)（黃色）帶2～3臺變流器（綠色）、圖3是由圖4重繪，略去制動(dòng)電阻而得到的變流器框圖。

4 “直流/多交流變換器”

　　我們多年的高壓直流變換研究，應用于機車(chē)牽引成為現實(shí)。新結構采用“做減法”的方案，減去牽引變壓器、四象限整流模塊、支撐電容器模塊和附加電容器模塊；將圖4中的各輔助變流器的斬波器（紅色）、脈沖變壓器（淡紅色）、高頻整流器（紅黑色）移出，放至原牽引變壓器位置。

　　如圖5所示，各斬波器輸入串聯(lián)，斬波器輸出接脈沖變壓器多原邊系統。多原邊各匝數相等，因為同一磁路形成串聯(lián)穩壓電路。將牽引逆變器連接到穩定節點(diǎn)上，穩定了各牽引逆變器的輸入電壓。脈沖變壓器副邊整流為各輔助逆變器供電。牽引電機定子對地電壓高于15kv。

5 技術(shù)特點(diǎn)

　　“直流/多交流變換器”（用于電力機車(chē)及軋鋼機）由直流串聯(lián)穩壓電路、數個(gè)逆變器組成。直流串聯(lián)穩壓電路提供均壓電位，并提供輔助設備電源，每段電位安置一臺逆變器，拖動(dòng)一臺電機。另外可通過(guò)調節某臺逆變器頻率或輸出電壓改變電流幫助保持均壓；亦可調節某臺逆變器橋臂短暫貫通強制保持均壓。雖然無(wú)四象限整流器卻能更好地實(shí)現回饋制動(dòng)，在直流貫通的條件下真正實(shí)現將能量利用。

圖3 動(dòng)力系統電路框圖

圖4 輔助功率模塊電路原理圖

圖5 “直流/多交流變換器”

　　6 技術(shù)及經(jīng)濟效益分析

　　(1)平臺變化很小，便于改造已有車(chē)輛。電機和牽引逆變模塊對地耐壓升高增加少許成本，低于變流器成本1%；

　　(2)因減少牽引變壓器、四象限整流模塊、支撐電容和濾波電容預計降低變流器成本50%。（逆變模塊與四象限整流模塊高度相似；全車(chē)降低了60%的散熱功率）；

　　(3)取消過(guò)分相；

　　(4)克服負序、無(wú)功、諧波、供電設備利用率低等牽引變電所痼疾，節省大量設備投資；

　　(5)直流貫通供電提高機車(chē)運行效率，回饋制動(dòng)變得有意義；

　　(6)可不必規劃電力專(zhuān)線(xiàn)，電網(wǎng)用戶(hù)通過(guò)整流器與直流牽引網(wǎng)相連，將他們的負序、無(wú)功、諧波等負面電量注入高鐵，后者可得到廉價(jià)電能；

　　(7)以直流牽引網(wǎng)為媒介將各電網(wǎng)聯(lián)接起來(lái)，形成國家統一電網(wǎng)，啟動(dòng)電力期貨交易；

　　(8)直接吸收風(fēng)電、太陽(yáng)能入網(wǎng)，降低其成本，解放我國新能源發(fā)展瓶頸，為國家做出更大貢獻。

　　7 結束語(yǔ)

　　感悟！為何機車(chē)變頻器稱(chēng)變流器？——直流變交流是它滿(mǎn)意的方式！用直流/多交流變換器組成牽引變流器，無(wú)牽引變壓器、無(wú)四象限整流器、直流貫通供電無(wú)過(guò)分相困擾、吸收交流電網(wǎng)中的負面電量，并以直流牽引網(wǎng)為媒介組成全國