電氣化鐵路牽引供電系統研究現狀及關鍵性技術

王典春

摘要：在本文中，對牽引供電系統中存在的一些問題，比如諧波和負序及無功等問題進行了闡述，并針對當前的供電方案進行分析對比，重點闡述了同相供電系統。此外，還結合了當前的電子技術發展現狀，提出了新的無牽引變壓器新型同相供電系統的思想和關鍵技術，以期能為同相供電系統的研究和應用提供依據。

關鍵詞：電氣化鐵路；牽引供電系統；研究現狀；關鍵性技術

前言

隨著我國經濟的不斷發展，電氣化鐵路在國民經濟中發揮出了越來越重要的作用。但是因此也帶來了一些新的問題，比如公共電網的負序電流問題和諧波等。針對這些問題，國內外專家都進行了積極的探討和研究，分析了當前電氣化鐵路牽引供電系統中存在的問題并提出了解決的策略，并對這些解決策略進行了分類總結，以期能為同相供電問題的研究和應用提供依據。

1.電氣化鐵路牽引供電系統存在的問題分析

電氣化鐵路在我國的經濟建設中發揮出了重要的作用，它對國計民生意義重大，所以確保鐵路供電系統建設也就顯得更加重要。對于電氣化鐵路牽引供電系統來說，它既要滿足電力系統的需求，又要確保公共電網的正常使用。因為電氣化鐵路供電具有其自身的特殊性，所以面臨著許多的問題。

（1）將三相公共電網接人到牽引供電網中，由于電力機車是單相的交流負載，這樣會造成電力系統的負序電流。負序電流具有較強的破壞性，它可以使得變壓器的附件發熱，同時還能降低變壓器的容量利用率，電網中的電能質量也會因此降低，輸電線路會因此遭受不必要的損失，同時還會影響到電網中一些電力設備的正常運行。

（2）在牽引供電系統中，不可控整流型機車是重要的諧波源。雖然交一直一交型電力機車在當前得到了不斷的推廣，但是多種車型并存的情況在短期內是不會得到改變的，還會繼續存在，諧波問題仍然是重要的牽引供電系統問題。諧波的存在影響也很大，它將電網中元件的附加損害增加，同時對電氣設備的正常運行也會造成影響，沿線通訊也會受到不良影響，同時還會使繼電器出現誤動作，增加不必要的安全隱患，電網中的儀器儀表會由此而出現測量不準確的情況，從而出現控制錯誤。

因為這些存在的問題，很多的國家比如德國除了利用供電電網進行牽引供電網取電，還會建立大量的輸電系統和鐵路專用電廠，利用15千伏/16赫茲的供電模式。電氣化鐵路存在的問題因為這些方式可以得到一定程度上的解決，但是與我國當前的國情50Hz等實際情況并不相符，需要采取適合我國國情的能解決我國的當前電氣化鐵路牽引供電系統的切實有效的措施。

2.同相供電系統方案

（1）同相供電系統采用電力電子平衡變換裝置并結合牽引變壓器方案。牽引變壓器在鐵路上常用的聯結方式有以下幾種：斯科特聯結、單相聯結、改進型非阻抗平衡變壓器、三相YNdll型聯結等。電力電子平衡變換的平衡變換裝置結構可以如圖1所示。

在圖中，為了實現牽引網低壓到高壓的隔離和轉換，使用了升降壓變壓器。圖中所示的平衡變換裝置結合不同的牽引變壓器的同相供電系統得到了較為廣泛的關注和研究?；赮dll型的牽引變壓器同相供電系統可以如圖2所示：

為了將裝置進行擴容，當前的大容量高壓系統中級聯型多電平變換器大都采用6KV及以上電壓等級的拓撲結構，高壓輸出是通過多個具有獨立直流電源的功率單元以級聯方式來實現的。如果要實現能量回饋，需要將單相或三相PWM整流器使用在功率單元的前端，

兩種拓撲都是在牽引變壓器的兩臂上接入其兩端，通過對兩臂的負載電流調節平衡實現同相供電。同時，還能多目標控制電流，可以綜合治理諧波、無功和負序。它屬于電力電子平衡變換裝置。這種以電力電子平衡變換裝置為基礎的同相供電解決方案能有效對原來的牽引變壓器進行保留，使得成本得到有效降低，系統的性能也得到了提高，雖然可以綜合治理諧波、無功和負序等問題，但是屬于被動的補償方式，很難進行主動控制，不能將電分相問題徹底解決，從而也就無法實現真正的貫通式并聯同相供電。

（2）新型同相供電系統（無牽引變壓器）。公共電網會因為電氣化鐵路牽引供電系統的大功率和高壓等特點而受到影響，多電平技術可以解決該問題，它可以有效實現大功率和高壓的直接變換，還可以對公共電網的電能質量進行綜合的治理。拓撲結構能有效確保各個功率單元的功率分配平衡，同時可以保持電力系統的三相平衡。為了將拓撲的體積和成本降低，可以利用切分變壓器的二次側漏抗來代替各功率單元中的單相PWM整流器輸入電抗器，PWM整流器可以控制輸入電流的單位功率因數，諧波電流和無功能通過直流母線電容得到隔離，單相交流供電電壓通過級聯型逆變器得到了有效輸出。在該拓撲結構中，使用了電力電子變換方式，將傳統的電力電子變換裝置作為輔助牽引變壓器為主的方式徹底取代了，對牽引供電系統的電能質量問題有著很好地解決。

3.新型同相供電系統的關鍵技術分析

（1）功率單元擾動量全前饋控制。因為機車的負載容易出現變化，所以會出現感性、阻性和非線性等負載特性。在機車啟動和制動的過程中，會從電網吸收能量和回饋能量，因此會出現較為劇烈的能量變化。無牽引變壓器同相供電拓撲采用了單相的H-H橋結構，將切分變壓器二次側和其一側相連接，另一側與其他單元進行級聯，從而提供電源給單相接觸網，由各個能量單元來成成機車的瞬時能量負載變化，為了減小擾動量的影響，在H-H結構中會使用負載電流前饋一側來提高其動態響應性能。為了消除H-H功率單元受到電網電壓和直流母線電壓波動的動靜態影響，將系統的動態響應性能提高，以此來適應機車的頻繁變化，所以需要深入研究功率單元的擾動量全前饋控制策略。

（2）多臺無牽引變壓器同相供電裝置的并聯控制。要想將同相供電系統實現，需要將電分相環節取消。那么電力電子變換同相供電系統會面臨并聯環流等問題。整個并聯系統的可靠性和效率都會因為這些過大的環流而出現降低的情況，當前的逆變器并聯控制可以分為主從式控制法、無互聯線控制法和分布式控制法。對于傳統的并聯方法來說，它是基于均流的。因此不能直接應用于牽引供電網，電力電子變換和牽引變壓器同相供電系統對變壓器二次側進行直接的并聯，電分相現象并不能得到徹底取消，為了將電分相環節取消，需要使用無牽引的變壓器級聯型新型同相供電系統，利用電力電子變換技術，并聯多臺新型的同相供電裝置，從而實現貫通式的同相供電。

4.小結

我國當前是將三相接入電氣化鐵路牽引供電系統中，這種供電方式存在較大的不利影響，電能質量如果需要有更高的要求，就需要采用平衡接線方式，這種方式可以更好地配合單相牽引供電，以無源補償作為重點，將有源補償作為輔助，這樣可以爭取利用最小化的投資取得最大化的利益。以平衡裝置和牽引變壓器為機車的同相供電系統可以充分利用現有的牽引變壓器，不僅沒有很高的改造成本，還可以在裝置出現故障時繼續為電力機車供電。所以，全電力電子變換的無牽引變壓器多電平新型同相供電系統可以將電分相環節徹底取消，是同相供電系統的重要研究方向。