我国高速动车组辅助供电系统的比较与分析
ＥＩ，ＥＣＴＲＩＣＤＲＴＶＥ２０１０Ｖ０１．４０Ｎｏ．３电气传动２０１０年第４０卷第３期
我国高速动车组辅助供电系统的
比较与分析
郑华熙，高吉磊，郑琼林
（北京交通大学电气工程学院，北京１０００４４）
摘要：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。最后，通过分析这几种高速动车组的辅助供电系统，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：高速动车组；辅助供电系统；逆变器；整流器
中图分类号：Ｕ２６４．５；ＴＭ６４
文献标识码：Ａ
ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｕｘｉｌｉａｒｙＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＳｙｓｔｅｍｓｏｆ
ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＨｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ
ＺＨＥＮＧＨｕａ—ｘｉ，ＧＡ０
Ｊｉ—ｌｅｉ，ＺＨＥＮＧＱｉｏｎｇ—ｌｉｎ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆａｕｘｉｌｉａｒｙｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌｗａｙｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ；ａｕｘｉｌｉａｒｙｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ
１
引言
２
高速动车组辅助供电系统综述
２００７年４月１８日，中国铁路按照既定计划
高速动车组的辅助供电系统主要包括２部
实施了第６次大面积提速。在这次大提速中，“引分：交流供电系统和直流供电系统。
进、消化、吸收再创新”的ＣＲＨ系列动车组扮演交流供电系统主要指从牵引变压器辅助绕组了极其重要的角色。ＣＲＨ系列的动车组，最高时或牵引回路直流环节获取电能开始，到各种制式速达到３５０ｋｍ／ｈ以上，因此本文泛称ＣＲＨ系列交流电压输出为止的部分。交流供电系统的任务动车组为高速动车组。
是输出交流电压，为交流母线提供电源，以及为交高速动车组技术是各项复杂技术的集合体，流负载供电。
而辅助供电系统是高速动车组的重要组成部分之目前，高速动车组的交流供电系统主要有两一。为了保证高速动车组长时间的正常运行，列种形式：交直交型与直交型。
车需要稳定、高效的辅助供电系统为众多辅助设如图１所示，交直交型交流供电系统一般由备提供电源，这些设备包括空气压缩机、冷却通风４部分组成：牵引变压器辅助绕组、辅助整流器、机、油泵／水泵电机、空气调节系统、采暖、照明、旅中间直流环节以及辅助逆变器。该供电系统由牵客信息系统等。辅助供电系统的优劣直接关系到引变压器的辅助绕组提供电源，经过辅助整流器高速动车组能否正常行驶。
和辅助逆变器的变换，最终输出三相交流电压，供
作者简介：郑华熙（１９８４一）。男，硕士研究生，Ｅｍａｉｌ：０７１２２０３９＠ｂｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃａ
５３
万
方数据
电气传动２０１０年第４０卷第３期给各交流负载使用。
牵引变压器辅助囤Ｚ延峪盏
中间直
辅助
辅助绕组整流器
流环节
逆变器
图１交直交型辅助交流供电系统结构图
Ｆｉｇ．１
ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＡＣ—ＤＣ—ＡＣｔｙｐｅ
ａｕｘｉｌｉａｒｙ
ｐｏｗｅｒ
ｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ
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４００Ｖ）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。
牵引回路辅助辅助中问直流环节逆变器
变压器
（ａ）先逆变后降压
牵引【旦】路降压辅助中间直流环节斩波器
逆变器
（ｂ）先降压后逆变
图２直交型辅助交流供电系统结构图
Ｆｉｇ．２
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆ
ＤＣ—ＡＣ
ｔｙｐｅ
ａｕｘｉｌｉａｒｙ
ｐｏｗｅｒ
ｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ
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。３
高速动车组辅助供电系统
从２００４年到现在，中国共生产了４种ＣＲＨ
高速动车组，即目前运行在我国铁路上的高速动车组，它们分别是ＣＲＨｌ，ＣＲＨ２，ＣＲＨ３和ＣＲＨ５。下面将逐一分析介绍这４种高速动车组的辅助供电系统。
５４
万
方数据郑华熙，等：我国高速动车组辅助供电系统的比较与分析
３．１
ＣＲＨｌ辅助供电系统
ＣＲＨｌ高速动车组由青岛四方一庞巴迪一鲍
尔铁路运输设备有限公司（ＢＳＰ）生产，２００７年投入正式运营，它的原型车是庞巴迪公司为瑞典ＡＢ提供的Ｒｅｇｉｎａ。
图３为ＣＲＨｌ编组示意图，图３中Ｍｃ为驾驶动车；Ｍ为中间动车；Ｔｐ，Ｔｂ为拖车。由图３可见，一列ＣＲＨｌ高速动车组由８节车组成（５Ｍ３Ｔ），共有３个列车单元。受电弓位于Ｔｐｌ和Ｔｐ２车。
列车单元ｌ
列车单元２
列车单元３
细西四ｆ田圆１四亩＆
图３
ＣＲＨｌ编组示意图
Ｆｉｇ．３
Ｄｉａｇｒａｍｏｆ
ＣＲＨ１
ｍａｒｓｈａｌｌｉｎｇ
ＣＲＨｌ高速动车组的每个列车单元都有一个完整的辅助供电系统，其辅助交流供电系统采用直交的形式。主要负载包括：列车采暖设备、空调、通风系统、主变流器和牵引变压器的冷却风机、蓄电池充电机、照明系统、控制用电源系统和旅客信息及广播系统等。在每一节动车下均设有一个辅助电源装置，主要包括一个额定容量为
１４４
ｋＶ・Ａ的辅助逆变器单元（ＡＣＭ）、隔离变压
器、蓄电池充电机以及蓄电池等。在启动过程中，
辅助供电系统的负载必须按一定顺序启动，以降低系统担负的启动电流。
ＣＲＨｌ辅助供电系统结构图如图４所示，其
Ｍ车；
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幽荛嚣图４
ＣＲＨＩ动车组辅助供电系统结构图
Ｆｉｇ．４
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆＣＲＨｌａｕｘｉｌｉａｒｙ
ｐｏｗｅｒ
ｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ
郑华熙，等：我国高速动车组辅助供电系统的比较与分析
中，２５ｋＶ交流高压电经位于Ｔ车内的牵引变压器降压后输入位于Ｍ车内的网侧变流器单元（ＬＣＭ）。ＬＣＭ的直流环节（１
６５０
Ｖ）与辅助逆变
器单元（ＡＣＭ）的输入侧连接。ＡＣＭ输出的４００
Ｖ／５０Ｈｚ三相交流电经过输出滤波器滤除谐波
后，通过隔离变压器和接触器给列车三相交流母线供电。蓄电池充电机与交流母线连接，交流电经充电机整流后变为１１０Ｖ直流电压，一路供给直流母线，另一路接蓄电池。同时，三相４００Ｖ交流母线和１１０Ｖ直流母线两路电源也为列车内的各种用电设备供电。
ＡＣＭ是整个辅助供电系统的核心，包括一个三相两电平ＩＧＢＴ逆变器、ＬＣ输出滤波器、门驱动单元、电压和电流传感器及控制单元等。ＡＣＭ采用基于微处理器的控制单元，控制方法是空间矢量调制法。为了在启动和接上较大负载时达到最好的控制效果，ＡＣＭ采用恒定的压频比控制。表１所示为单个辅助逆变器的技术指标。
表１逆变器技术指标
Ｔａｂ．１
Ｉｎｖｅｒｔｅｒ
ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ
输出电压（三相）／Ｖ
４００．±５％
输出电压中谐波的最大含量１０％
频率／Ｈｚ
５０，±Ｉ．０％
单个逆变器的最大输出功率／ｋＷ１４７，ＣＯＳ舻２０．８８
总体尺寸（高／长／深）／ｒａｍ
３５０／４ｌｏ／８１０
重量／ｋｇ
９０
ＣＲＨｌ的蓄电池充电机电路如图５所示。辅助电源的三相交流母线电压经过三相半控整流桥、半桥式直直变换器（由半桥逆变器与带变压器中心抽头的半波不控整流电路组成）和ＬＣ滤波器，输出１１０Ｖ直流电压。
［．Ｃ
输出直流电压
Ｉ＿Ｉ√Ｉ
１１０Ｖ
』
；僻
上．且
Ｉ』【ｊＩ
丰一§
图５
ＣＲＨｌ蓄电池充电机电路图
Ｆｉｇ．５
Ｃｉｒｃｕｉｔ
ｄｉａｇｒａｍｏｆ
ＣＲＨｌ
ｂａｔｔｅｒｙｃｈａｒｇｅｒ
３．２
ＣＲＨ２辅助供电系统
ＣＲＨ２高速动车组（包括ＣＲＨ２—２００和
ＣＲＨ２—３００）由中国南车集团四方机车车辆股份有限公司生产，２００７年投入正式运营，原型车是日本新干线Ｅ２一１０００。这里以ＣＲＨ２—２００为例。
万
方数据电气传动
２０１０年第４０卷第３期
ＣＲＨ２—２００全车由８节车组成（４Ｍ４Ｔ），编组形式见图６，Ｍｃ为动车，Ｒ为拖车。受电弓位于４号拖车与６号动车。全车共有２台辅助电源装置（ＡＰＵ），分别设置在１号车和８号车，每一台ＡＰＵ向４节车的辅助用电设备提供电源。当一台辅助电源装置发生故障时，可通过另一台辅助电源装置向全列车提供辅助电源。
圈圆圆由网由网圆
图６
ＣＲＨ２编组示意图
Ｆｉｇ．６
ＤｉａｇｒａｍｏｆＣＲＨ２
ｍａｒｓｈａｌｌｉｎｇ
如图７所示，ＣＲＨ２动车组的辅助供电系统主要包括辅助电源装置（ＡＰＵ）、辅助整流器（ＡＲｆ）和各种用电设备。其中，ＡＰＵ所起的作用相当于辅助交流供电系统。ＡＰＵ采用交直交的形式，从牵引变压器的辅助绕组取电，依次经过输入变压器、辅助整流器和ＰＷＭ逆变器，向列车交流母线供电。ＡＰＵ是ＣＲＨ２辅助供电系统的核心。ＡＰＵ主要由输入整流器、输入滤波器、辅助整流器、中间直流环节、ＰＷＭ逆变器、输出滤波
器、输出接触器以及一些单相变压器构成，完成输出各种制式交流电压的任务。单个ＡＰＵ的功率
可达２２７ｋＶ・Ａ。
ｉ……………一………一……一一ｊＩ；ｉｉ磊ｊ
覆足电曩蕞筑：
二板ｆ不控整流嚣
；！粤！！！堕晋！：竺！』竖罡磐璺墨堡垡燮……—．ｊ
图７
ＣＲＨ２辅助供电系统结构图
Ｆｉｇ．７
ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣＲＨ２ａｕｘｉｌｉａｒｙｐｏｗｅｒ
ｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ
由于ＣＲＨ２辅助供电系统的负载用电情况较复杂，本文将ＣＲＨ２列车上的辅助供电系统按
供电制式进行分类，共可以分为６类（如表２所示）：单相４００Ｖ不稳定电源系统，单相１００Ｖ不稳定电源系统，三相４００Ｖ稳定电源系统，单相
１００
Ｖ稳定电源系统，单相２２０Ｖ稳定电源系统
和直流１００Ｖ稳定电源系统。
５５
电气传动２０１０年第４０卷第３期裹２
ＣＲＨ２各类辅助电源系统及其负载
Ｔａｂ．２
Ｌｏａｄｓｏｆ
ＣＲＨ２ａｕｘｉｌｉａｒｙｐｏｗｅｒ
ｓｕｐｐｌｙ
ｓｙｓｔｅｍ
各类辅助电源系统负载
单相４００Ｖ不稳定电源系统，＋２４％～一３１％，５０Ｈｚ空调装置、换气通风装置等单相１００Ｖ不稳定电源系
热水器的加热器等容许电压统，＋２４％～一４１％，５０Ｈｚ
变动的设备
三相４００
Ｖ稳定电源系统，
牵引变压器、牵引变流器、＋ｌＯ％～一１０％，５０
Ｈｚ
牵引电机的风机等
单相１００Ｖ稳定电源系统，
卒调控制、显示器、上水装
＋１０％～一ｌＯ％。５０
Ｈｚ
置等
单相２２０Ｖ稳定电源系统，
车厢内插座、小卖部设备、自十１０％～一１０％。５０
Ｈｚ
动售货机、热水供应器控制等
直流１００Ｖ稳定电源系统，
车辆的控制电源、车厢照明、＋１０％～一ｌｏ％
蓄电池等
接下来分别介绍这６类电源系统。首先，单
相４００Ｖ不稳定电源系统直接从牵引变压器的辅
助绕组取电，给空调装置、换气通风装置等负载供电。单相１００Ｖ不稳定电源系统也从牵引变压器的辅助绕组取电，通过输入变压器与辅助变压器降压，给热水器的加热器等容许电压变动的设备供电。同时，辅助绕组输出的单相４００Ｖ交流电供给ＡＰＵ进行整流，经过ＡＰＵ的输入滤波器、整流器、中间直流环节、三相ＰＷＭ逆变器以及输出滤波器，得到稳定的４００Ｖ／５０Ｈｚ三相交流电源系统。该三相交流电源系统还分别通过２个单相变压器输出单相１００Ｖ稳定电源系统与单相
２２０
Ｖ稳定电源系统。辅助整流器（ＡＲｆ）也与三相４００Ｖ稳定电源系统相连，经过整流得到直流
１００
Ｖ稳定电源系统，给车辆的控制电源、车厢照明、蓄电池等设备供电。
ＣＲＨ２的辅助整流器（ＡＲｆ）电路如图８所
示，它主要由变压器和三相不控整流电路组成。变压器原副边分别接成星形和三角形；三相不控整流电路将输入的交流电压变换为直流电压输出。
Ｖ
图８ＣＲＨ２辅助整流器（ＡＲｆ）电路图
Ｆｉｇ．８
ＣｉｒｃｕｉｔｏｆＣＲＨ２
ＡＲｆ
３．３
ＣＲＨ３辅助供电系统
ＣＲＨ３高速动车组由中国北车集团唐山轨道
客车有限责任公司生产，原型是德国西门子公司
５６
万
方数据郑华熙。等：我国高速动车组辅助供电系统的比较与分析
生产的ＩＣＥ３；２００８年投入正式运营。如图９所
示，每列ＣＲＨ３由８节车组成（４Ｍ４Ｔ），受电弓位于０２与０７车。ＣＲＨ３的辅助交流供电系统采用直交形式，由牵引回路的直流环节（３
０００
Ｖ）给辅
助供电系统提供电源。图９中，Ｅｃ为车头；Ｔｃ为变压器车；Ｉｃ为中间车；Ｆｃ为头等车；Ｂｃ为餐车；ＴＲＣ为牵引变流器；ＡＣＵ为辅助变流器单元；Ｄ—ＡＣＵ为双辅助变流器单元；ＢＣ为蓄电池充电机；Ｂａｔ为蓄电池。
仨磊２－８一与９毒竺ｑ尊曩互ｌｉ２＂蕊
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６０Ｈ２
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２３０Ｖ２３０Ｖ
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２３０Ｖ２３１
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６０Ｈｚ
６０ｌ－Ｉｚ
６０Ｈｚ：６０Ｈｚ
６０Ｈｚ
６０Ｈｚ
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ＤＣｌ００Ｖ
与卤由易磊’由卤ｄ
２３０Ｖ：２３０Ｖ：２３０Ｖ：２３０Ｖ：２３０Ｖ：２３０Ｖ：２３０Ｖ：２３０Ｖ
５０Ｈｚ
５０Ｉ－Ｉｚ
５０Ｈｚ５０Ｈｚ５０Ｒｚ５０Ｈｚ５０Ｈｚ．５０Ｈｚ
图９
ＣＲＨ３编组与辅助供电系统示意图
Ｆｉｇ．９
ＤｉａｇｒａｍｏｆＣＲＨ３ｍａｒｓｈａｌｌｉｎｇａｎｄ
ａｕｘｉｌｉａｒｙ
ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ
ｓｙｓｔｅｍ
由图９可见，在０１，０３，０６，０８车的车下各有一个牵引变流器（ＴＲＣ），在０２和０７车下各有一个额定功率１６０ｋＶ・Ａ的辅助变流器单元（ＡＣＵ），这两个ＡＣＵ分别与０１和０８车的ＴＲＣ直流环节相连。ＡＣＵ（如图１０所示）的结构与ＣＲＨｌ的交流供电系统相似，变流器部分采用ＰＷＭ调制三相两电平ＩＧＢＴ逆变器。不同的是ＣＲＨ３用漏感较大的变压器代替了ＬＣ滤波器中的电感。同时，在０４和０５车下各有一个额定功率３２０ｋＶ・Ａ的双辅助变流器单元（Ｄ—ＡＣＵ），这２个Ｄ—ＡＣＵ分别与０３和０６车的ＴＲＣ直流
环节相连。Ｄ—ＡＣＵ的结构如图１１所示，每个Ｄ—ＡＣＵ都由２个独立的ＡＣＵ将输入与输出并联而成。另外，每４节车的ＡＣＵ与Ｄ—ＡＣＵ输
入端都用电缆相连，以确保２个ＴＲＣ中的一个失效时辅助供电系统仍能正常工作。所有ＡＣＵ或Ｄ—ＡＣＵ的输出都直接连接贯穿全车的辅助供电系统交流母线（三相４４０Ｖ／６０Ｈｚ）。同时，每节车厢都有独立的单相变压器，从三相交流母线
郑华熙．等：我国高速动车组辅助供电系统的比较与分析的其中两相取电，变换成单相２３０Ｖ／６０Ｈｚ交流电压供给相应负载使用。
输出三相交流电压
４４０、？ｆ６０Ｈｚ
间直流环节逆变器高銎鬟嚣害魏霎煞滤波电容变压器
”“。”
图１０
ＡＣＵ结构示意图
厂＿Ｉ三Ｆｉｇ．１０
三至三ＥＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
三［甄４ｏｆ
ＡＣＵ
牵引同路匿眨丑爨薏毓
ｌｌ辅助逆变器
辅助变压器滤波电容ｌＩ
篓０嘉ＶＩ看∞絮辅助逆变器辅助变压器滤波电容中间直流环节
图１１
Ｄ—ＡＣＵ结构示意图
Ｆｉｇ．１１
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆＤ—ＡＣＵ
在０４和０５车内各有一套额定功率６０ｋｗ的蓄电池充电机（ＢＣ）和蓄电池（Ｂａｔ），充电机的结构与ＣＲＨｌ相似。ＢＣ通过辅助三相交流母线获得供电，整流后输出１１０Ｖ直流电压，供给贯穿全车的直流母线。另外，每节车厢都各有一个单相逆变器，输出２３０ｖ／５０Ｈｚ交流电压供负载使用。ＣＲＨ３辅助供电系统的负载情况如表３所示。
表３
ＣＲＨ３辅助供电系统负载统计
Ｔａｂ．３
Ｌｏａｄｓ
ｏｆＣＲＨ３
ａｕｘｉｌｉａｒｙｐｏｗｅｒ
ｓｕｐｐｌｙ
ｓｙｓｔｅｍ
电压制式负载情况
客室空调、驾驶室空调、主空气压缩机电机，三相交流
牵引变压器冷却风机、牵引变流器风机、前
４４０Ｖ’／６０
Ｈｚ
风挡加热、辅助变流器单元冷却风机等
单相交流
厨房设备、水系统加热设备、撒沙管加热器、２３０Ｖ／６０Ｈｚ
车钩端加热器等
直流１１０Ｖ列车照明系统、各控制单元电源等单相交流
每节车的插座、厨房设备等
２３０
Ｖ７／５０Ｈｚ
３．４
ＣＲ邯辅助供电系统
ＣＲＨ５高速动车组由中国北车集团长春轨道
客车股份有限公司生产，原型是法国阿尔斯通公司为芬兰国铁提供的ＳＭ３型列车，２００７年投入正式运营。该车也是采用８辆编组方式（（３Ｍ＋１Ｔ）＋（２Ｍ＋２Ｔ）），受电弓位于０３号车和０６号车。ＣＲＨ５的辅助交流供电系统采用直交型。如图１２所示，辅助交流供电系统从牵引回路的直流环节（３
６００
Ｖ）取电，经过直交直降压电路降压，
再经过三相ＰＷＭ逆变器输出三相４００Ｖ／５０
Ｈｚ
万
方数据电气传动２０１０年第４０卷第３期
交流电，为辅助交流母线供电。同时，取三相交流母线的相电压经过单相降压变压器输出单相２２０
Ｖ／５０Ｈｚ交流电。
图１２
ＣＲＨ５辅助交流供电系统电路图
Ｆｉｇ．１２
Ｃｉｒｃｕｉｔ
ｏｆＣＲＨ５
ａｕｘｉｌｉａｒｙｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ
ＣＲＨ５的每节车都设有一个蓄电池充电机，充电机以交流母线为输入，输出２４Ｖ直流电压供给直流母线、蓄电池以及相应的直流负载。充电机电路拓扑结构与ＣＲＨｌ基本相同，在此不再赘述。４
高速动车组辅助供电系统的分析与比较
表４粗略地归纳了ＣＲＨｌ，ＣＲＨ２，ＣＲ．Ｈ３和
由表４和前面的介绍，可以总结出以下几点。
表４高速动车组辅助供电系统概况
Ｔａｂ．４
Ａｕｘｉｌｉａｒｙｐｏｗｅｒ
ｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ
ｏｆＣＲＨ
辅助供电辅助供电车型
辅助供电系统总功系统输入交流母线直流母线蓄电池充电机系统结构
电压
电压／Ｖ
盅／ｋＶ・Ａ
电压
结构
直交型取自牵引ｉ相半控（逆变器＋ｉ相四线
ＣＲＨｌ
ＬＣ滤渡７４０
回路直流４００ｖ／１１０
侨整流＋半器＋降压环节
桥式直直５０Ｈｚ
ＤＣｌ６５０Ｖ
变压器）
变换器
取自牵引
ｊｃ且，ｃ型
变压器
（ＰＷＭ有多种制变压器＋ｉ相ａｔＨ２
４１０
辅助绕组整流器＋单相
式，具体见１００
逆变器）
表２所示
二极管ＡＣ４００Ｖ／不控整流
５０卜ｋ
直交型（逆变器＋取白牵引同ＣＲＨｌ回路直流三相ｉ线
的蓄电池ＣＲ｝船
降压变压９６０
环节Ｉ咒
４００Ｎｆ１１０
器＋滤波６０Ｈｚ
充电机结３０００Ｖ
电容）构相似
直交型取自牵；ｌ同（柬Ｈ１（直交直降ＣＲ｝１５压电路＋１５００卿路直流ｉ相ｉ线
４４０Ｎ｝２４
的蓄电池环节ＩＸ：
逆变器＋５０Ｈｚ
充电机３
６００Ｖ
Ｉ￡滤波器）
结构相似
５７
ＣＲＨ５的辅助供电系统情况。
电气传动２０１０年第４０卷第３期４．１交流供电系统的比较
由３．１～３．４的分析可以看出，ＣＲＨ２的辅助交流供电系统是４种高速动车组中唯一使用交直交形式的，这种形式较为传统，其成本较低。由于在辅助电路的输人侧使用了ＰＷＭ整流器，因此，当铁路牵引电网的网压发生较大变动的时侯，依然可以保证交流供电系统直流环节电压的稳定；同时还可以保证电网输入侧具有较高的功率因数。
同时，ＣＲＨ２交流供电系统也存在一些缺点。首先，这种供电系统需要带有辅助绕组的牵引变压器，在运行时由于牵引变压器２个二次绕组之间存在着耦合，牵引变流器运行时产生的脉动会影响到辅助绕组的输出电压，因而对辅助变流器及其负载造成直接影响。其次，由３．２的分析可以看出，ＣＲＨ２的一些负载直接从牵引变压器的辅助绕组取电，或是经过单相变压器变压后再取电，这种取电方式虽然简单，但存在着很大的缺点。由于这些负载的供电电压变化范围较大，而且在每次经过分相区的时候，受电弓都会断电（目前ＣＲＨ２还无法实现过分相区辅助供电系统不断电运行），这些情况都会对压缩机、风机等电机负载的运行以及寿命产生很大的影响。为了克服供电电压变化范围过大给电机带来的不利影响，ＣＲＨ２的空调机组电机都是特别设计制造的，这无形中又增大了辅助供电系统的制造成本。综合考虑，这种负载直接从辅助绕组取电的方式不太合理，未来在设计辅助供电系统时应尽量避免。
ＣＲＨｌ，ＣＲＨ３和ＣＲＨ５的辅助交流供电系统都是直交型的。与交直交型相比，直交型的优点在于省去了牵引变压器的辅助绕组，简化了牵引变压器的设计与制造工作，并且在过分相区的时候可以使用牵引电动机发电，维持牵引回路直流侧的电压，从而保证辅助供电系统不断电。但是，如果采用直交型交流供电系统则无法避免降压环节（比如ＣＲＨｌ，ＣＲＨ３的降压变压器与ＣＲＨ５的降压斩波电路），这又在一定程度上增加了辅助供电系统的复杂度。
同属于直交型的交流供电系统，ＣＲＨｌ，ＣＲＨ３与ＣＲＨ５的电路结构又有着区别。ＣＲＨｌ与ＣＲＨ３的电路拓扑结构基本相同，都是采用如图２ａ的先逆变后降压形式；而ＣＲＨ５则采用先降压后逆变的电路结构（见图２ｂ）。由于ＣＲＨｌ
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与ＣＲＨ３牵引回路直流环节的电压等级较高（分别是ｌ
６５０Ｖ和３０００
Ｖ），ＣＲＨｌ与ＣＲＨ３辅助
逆变器的开关器件也必须选用耐压等级较高的，因此成本也较高。但是，与ＣＲＨ５的方案相比，这种方案有３个优点。首先，所用到的开关器件较少，控制也简单了许多；其次，降压变压器有助于隔离高压输入电源与负载，此时若选用副边漏感较大的变压器，则还可以省去逆变器输出滤波器中的电感（如ＣＲＨ３的方案），有利于简化主电路。最后，这种辅助变流器模块可以做成牵引变流器模块的结构，使得模块简化，便于模块化生产和维护，降低了开发与生产的费用。
而ＣＲＨ５动车组先降压后逆变的电路结构也有其独特的优点。比如：与ＣＲＨ３的方案相比，省去了笨重、体积庞大的工频变压器，仅使用了体积较小的高频变压器，有效地降低了列车的自重，一定程度上降低了列车行驶的能耗，有助于节能；同时，在ＣＲＨ５的方案中（见图１２），由于输入的半桥式逆变器与输出的全桥整流器都是串联结构，每个开关器件的电压应力可以降低许多，因而成本也得以下降。４．２直流供电系统的比较
ＣＲＨｌ，ＣＲＨ２，ＣＲＨ３和ＣＲＨ５的直流供电系统也有较大的不同。蓄电池充电机作为直流供电系统的核心环节，有多种电路实现形式。这４种高速动车组的蓄电池充电机大致可以分为两种典型结构，分别是ＣＲＨｌ的结构（见图５）与ＣＲＨ２的结构（见图８）。ＣＲＨ３和ＣＲＨ５的蓄电池充电机结构与ＣＲＨｌ相似。
ＣＲＨｌ的蓄电池充电机实际上是一个交直交直的变换电路。这个电路包括三相半控整流桥、ＬＣ滤波器和带隔离变压器的直直变换器，涉及到的功率变换环节较多，所用到的元器件较多。这个电路的控制核心是通过控制直直变换器以得到稳定的直流电压输出。
与ＣＲＨｌ相比，ＣＲＨ２的蓄电池充电机结构比较简单，由三相变压器与三相不控二极管整流桥组成，输出电压经滤波可直接使用。该方案的缺点是：缺少控制环节，输出电压受输入电压影响较大，且三相工频变压器体积较大，较笨重。
由于今后的高速动车组都将辅助供电系统设
置在车底，以腾出尽可能多的载客空间，ＣＲＨｌ的
方案在保证较小的体积以及降低列车自重方面都要明显优于ＣＲＨ２的方案，而且未来的高速动车
郑华熙．等：我国高速动车组辅助供电系统的比较与分析
组辅助供电系统越来越要求较高的供电质量以及模块化的设计，在这些方面ＣＲＨｌ的方案优于ＣＲＨ２的方案，代表了未来的趋势。
另外，这４种动车组中ＣＲＨｌ，ＣＲＨ２和ＣＲＨ３都采用１００Ｖ或１１０Ｖ直流供电母线。只有ＣＲＨ５动车组的直流母线电压较低（２４Ｖ），当输出同样功率的时候ＣＲＨ５的直流供电线路中的电流较大，所用的电缆较粗，线路的损耗大，且抗干扰能力稍差。
４．３辅助供电系统还需考虑的其它问题
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２５
ｋＶ／５０Ｈｚ），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。
４）由于辅助供电系统的复杂性，在设计时需要做全面考虑。系统投入运行之后维护的费用以及在机车寿命周期内的消耗费用也应当综合考虑。５
结束语
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。但是，由于各车型辅助供电系统的交
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方数据电气传动２０１０年第４０巷第３期
流输出电压、频率以及直流输出电压都不同，不利于今后备件的标准化。因此，建议我国再创新后生产的国产高速动车组辅助供电系统将输出电压各项指标规范统一起来，并建立我国统一的标准：交流三相３８０Ｖ／５０Ｈｚ，单相２２０Ｖ／５０Ｈｚ，直流
１１０Ｖ。
限于目前的技术条件，我国采用交直交型辅助供电系统的高速动车组还没有解决过分相区辅助系统断电的问题，因此，采用直交型辅助供电系统的高速动车组有一定的优势。同为直交型的ＣＲＨｌ和ＣＲＨ５两种结构，在保证辅助供电质量的前提下，前者的结构和控制较为简单，在维护过程中更方便操作；而后者由于省去了工频变压器，更有利于车内空间的节约与列车自重的降低。因此，若要求辅助供电系统的结构与控制较简单，ＣＲＨｌ的方案较有优势；若对列车空间、载客数量或者列车自重要求较高，则ＣＲＨ５的方案更可取。
此外，若ＣＲＨ２辅助供电系统过分相区断电的问题得到了解决，成功实现了自动过分相，则针对ＣＲＨｌ，ＣＲＨ２和ＣＲＨ５的３种方案，还要根据容量等具体要求，进一步分析验证，从而选取一种更加合理的、与我国高速铁路具体情况相适应的维护和整备。随着我国科学技术水平的迅速发参考文献
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修改稿日期：２００９－０９—２５
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辅助供电系统结构形式，并将整个系统的各项指标统一，制定出国家标准，以便于今后交通运输的展，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、经济的发展注入更大的动力。
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我国高速动车组辅助供电系统的比较与分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
郑华熙， 高吉磊， 郑琼林， ZHENG Hua-xi， GAO Ji-lei， ZHENG Qiong-lin北京交通大学电气工程学院,北京,100044电气传动
ELECTRIC DRIVE2010,40(3)
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