技术︱AC380V列车供电系统
中国电工技术学会将于2016年12月23日（周五）在北京铁道大厦举办“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”。
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沈阳铁路局的研究人员杨涛，在2016年第9期《电气技术》杂志上撰文，介绍列车供电系统的发展过程，重点阐述采用变流器供电方式的AC380V列车供电系统，介绍其结构和特点，与空调发电车供电方式进行了比较，并对客运AC380V列车供电系统的发展阐明了观点。
客运列车供电系统[1]是为铁路旅客列车上各种电器提供电源的系统设备。目前铁路上主流的25型空调列车供电系统主要存在两种供电制式，一种为三相交流380V/50Hz，基本采用空调发电车或者内燃机车集中供电，一种为DC600V，主要由客运电力机车集中供电[2]。
前者是在20世纪80年代中后期我国铁路列车开始大规模应用空调设备时，根据当时的技术水平和使用条件而制定的，而后者是在静止变流器供电方式成熟的基础上，1998年开始成功应用在K79/80次快速列车上，2004年铁路第五次大提速以后开始批量应用。
基于部分直达列车和快速列车采用了电力机车向列车进行DC600V供电[3]的技术后，产生了很好的经济效益和社会效益。但受制于当时的变流技术水平，电力机车仍然无法直接向AC380V供电列车进行供电，而这些列车由于存量、线路等原因，目前的保有量仍然非常大，以沈阳铁路局为例，初步调查数量为1900辆左右，约占全局列车的40%。
1 既有AC380V列车供电系统
既有AC380V列车供电系统主要由AC380V供电电源装置、电力连接器、供电母线、客车电气综合控制柜、应急供电系统等组成。
既有的客运AC380V列车供电系统绝大部分都依靠空调发电车提供电源，其系统如下图所示：
图1 既有AC380V列车供电系统示意图
1.1 空调发电车
25G型（快速K）、25K型（特快T）AC380V供电列车的目前主要是通过加挂一节空调发电车来解决。发电车一般装有3*300kW进口康明斯柴油发电机组（或MTU柴油发电机组），每台机组可单独运行，亦可并车运行。
供电制式为交流三相四线制，380V/50Hz，可从发电车任一端与列车连挂，并分两路供电母线通过设于车每端的四个电力连接器供电。
1.2 内燃机车
25T型（直达特快Z）列车的供电由于运行速度较快，目前只能通过数量极少的DF11G型内燃机车来实现牵引和供电。DF11G型内燃机车装有德国进口的MTU12V183TB12G型供电用辅助柴油机及LSA47.1L11-4P型发电机，供电制式与空调发电车一致，最大供电功率为2*400kW。
通过柴油机燃烧柴油转化成机械能带动发电机运转产生电能，为空调列车提供电源，其能耗也是非常高的。以武昌客车车辆段武昌-上海的K121/2次列车为例，该车次每组18节车厢，包含硬座、硬卧等车型，2004年全年实际消耗燃油482吨，费用高达两三百万元，再加上人工、维修等成本，每年的运行开支相当惊人[4]。除此之外，空调发电车或内燃机车因为燃油泄露还存在着一定的火灾隐患[5]。
2 新型AC380V列车供电系统
随着电气化铁路逐步扩展和电力机车变流技术的重大进步，已有的AC380V列车仍然依靠大功率柴油发电机组供电已不能满足形势发展的需要，而存量的AC380V列车升级为DC600V列车需要加装三相逆变器、单相逆变器、充电机、客车电气控制柜等设备，投资大、周期长。
而在电力机车上按照列车负载特点定制开发一套新型AC380V列车供电装置，可直接向列车提供三相交流380V供电电源，再加上列车的适应性改造，具备投资少、见效快、无污染、维修成本低等优点。
新型客运AC380V列车供电系统如下图所示：
图2 新型AC380V列车供电系统示意图
2.1 电力机车列车供电装置
配置有AC380V列车供电装置的电力机车，除完成牵引任务外，还负责AC380V列车的供电。
列车供电装置设有两路三相逆变电源，两路之间电气上相互独立，其输出分别各与一路AC380V供电母线连接。两路逆变电源正常时保证全列车所有负载的正常应用，当一路电源发生故障时，全列车减载运行，由另外一路电源负责对全列车供电。
AC380V列车供电装置主要技术参数：额定输入电压为单相AC860V/50Hz；额定输出电压为三相四线制3AC380V/50Hz；额定输出功率为2*400kW。
与柴油发电机组提供电源的途径不同，电力机车AC380V列车供电装置完全从电网取电，并通过交-直-交等电力电子技术完成电源转换，保持了输出供电制式不变，充分满足了列车用电需求。
2.2 供电母线及电力连接器
由于供电制式和最大供电功率保持不变，新型AC380V列车供电系统的列车供电母线和电力连接器仍可与既有AC380V列车供电系统保持兼容，即两路独立供电电源通过车每端四个电力连接器（型号：DL4AC500/425）贯通，将电力机车和AC380V列车形成统一的列车电网。
全列车设有两路完全独立的AC380V供电母线，U相、V相和W相仍然采用2*120mm2客车电缆，N相仍然采用2*50mm2客车电缆。
2.3 客车不间断电源装置
绝大部分AC380V列车的照明及控制电源均为AC380V/220V，因此新型AC380V列车供电系统需要在客车上加装不间断电源装置。
该装置基于在线式UPS的理念进行设计，其最显著的特点是实现了对负载的真正不间断供电：在列车供电电网电压工作正常时，一方面给照明及控制回路供电，一方面给储能电池（磷酸铁锂电池，容量为60AH）充电；当列车供电电网突发停电时，不间断电源立即开始工作，由储能电池给照明及控制回路所需电源，维持正常的供电，不会造成照明闪烁、控制设备复位等问题。
不间断电源主要技术参数：额定输入电压为3AC380V/50Hz；输入电压允许波动范围为AC320V～440V；输出电压为AC220V/50Hz（正弦波）；正常/应急供电转换时间≤10ms；单次应急供电时间≥30分钟/2kW；周期性应急供电时间为不间断（每周期10分钟有电，2分钟无电）。
2.4 客车电气综合控制柜
两路AC380V电源同时接入每辆客车后，仍由原客车的电气综合控制柜进行电源选择，该电路主要包括三相交流接触器、空气开关、逻辑控制电路等，完成输入母线选择、负载分配等功能。
考虑到电力机车过分相时供电电源会频繁出现中断，造成接触器等器件频繁动作，因此客车电气综合控制柜的控制电源和照明回路用电不再从供电母线上直接取电，而是改从客车不间断电源装置获得，这样保证了控制系统的稳定性。
2.5 应急供电系统
既有的客车应急供电系统基本未做调整，仍由应急电源、充电设备及其配电回路组成。应急电源是由蓄电池组提供的直流电源，正常时由充电机对蓄电池组进行浮充，当供电母线停止供电后，充电机停止工作，由蓄电池提供直流电源供列车的应急负载如应急照明使用。一般AC380V列车，其应急供电电源(蓄电池组)电压等级为DC48V，仅供本车的应急负载使用。
3 系统特点
3.1 创新点
新型AC380V列车供电系统以电力机车AC380V列车供电装置为核心，配合既有AC380V列车的适应性改造，其创新点主要是：
⑴加装了AC380V列车供电装置的电力机车在国内首次实现了向AC380V旅客列车直接供电，打破了原来柴油发电机组垄断三相交流供电的历史，机车电源技术取得了重大突破；
⑵列车供电电网最终使用的电能，来自于电气化区段的电网，并完全通过电力电子变流装置的变换处理；
⑶首次在铁路列车上加装不间断电源装置，使客车可较好地兼容电力机车、内燃机车/空调发电车的供电电源。
3.2 优点
与基于柴油发电为基础的既有AC380V列车供电系统相比，其优点如下：
⑴提升列车运能，增收节支综合经济效益好。据测算，一列含空调发电车的AC380V列车，因为燃油消耗、维修费和人工成本等，每年至少比一列直供电列车多消耗约100-200万元成本。同时由于编组中甩掉了发电车，可多挂一辆载客列车，按照长春-北京间硬卧定员66人、客满率80%、票价244.5元/人、全年350天（15天维修）计算，全年客运收入还可以增加451万元。因此每年每列车增收节支的直接经济效益合计约600万元。
⑵低碳环保，建设资源节约型、环境友好型社会。采用新型AC380V列车供电系统后，每辆空调发电车每年造成的近500吨燃油污染会随之消失，相当于直接减少1500吨二氧化碳的排放量。另外还可以避免发电车85dB以上的噪音污染。
⑶新型AC380V列车供电系统采用免维护设计，日常检修工作量少。所有关键部件都已经实现了国内自主研发，零配件采购方便，维修费用低廉。
⑷有效避免了空调发电车的安全风险。
⑸可大幅减少空调发电车的乘务员，实现减员增效。
与现有的DC600V列车供电系统相比，其优点也很显著：
⑴每节客车不必再增加三相逆变器、单相逆变器等分散变流的电源设备，按照一节客车20万元计算，18辆客车为一个编组，至少可减少列车供电系统的总体构建成本360万元，而且还降低了客车设计、生产、维护的难度；
⑵由电力机车集中逆变，提供了电源使用的效率，降低了电源转换的损耗。
⑶交流接触器的使用寿命比直流接触器更长、采购成本更低。
4 结束语
新型AC380V列车供电系统从2015年11月起，已在大连-北京间的直达特快列车（Z81/0Z79/82）上投入使用，运行状态良好，完全满足正常的铁路运输要求。
目前所有运行在铁路电气化区段的AC380V供电的旅客列车，通过电力机车和客车的技术升级和改造，由电力机车直接供电，可不再使用柴油发电机组供电，将产生巨大的社会和经济效益，具有广阔的市场空间。