同相供電技術(shù)在電氣化鐵路中的應(yīng)用

李 翔

（1.南瑞集團有限公司，江蘇南京210000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

我國電氣化鐵路逐漸走上了高速發(fā)展的道路，無論是列車制造技術(shù)、載重能力，還是行駛速度，均已走在世界前列。我國鐵路電氣化里程超過8萬km，穩(wěn)居世界首位，在技術(shù)水平和建設(shè)質(zhì)量上也達到世界領(lǐng)先水平。在電氣化鐵路朝高速、重載方向發(fā)展的趨勢下，作為其核心技術(shù)的電氣化牽引供電系統(tǒng)，成為影響電氣化鐵路未來發(fā)展的重要因素。

目前，國內(nèi)鐵路牽引供電系統(tǒng)除少數(shù)試點外，均采用單相工頻交流供電的模式[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。牽引變電所將網(wǎng)側(cè)110 kV三相電壓經(jīng)過牽引變壓器轉(zhuǎn)換為兩相，分別對兩側(cè)供電區(qū)段供電。

圖1 單相工頻交流供電制式結(jié)構(gòu)示意圖

隨著電氣化鐵路朝高速、重載方向發(fā)展，上述供電制式存在的問題越來越突出，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）負(fù)序問題。

牽引負(fù)荷通常具有單相大功率、非線性、隨機性和波動性等特點，致使電氣化鐵路存在以負(fù)序為主的電能質(zhì)量問題[2]。在單相工頻交流供電制式下，常采用輪換相序的方法來緩減負(fù)序問題，但收效甚微。這就導(dǎo)致大量的負(fù)序電流注入電力系統(tǒng)，引起三相電壓嚴(yán)重不平衡，給電力系統(tǒng)一次設(shè)備和二次設(shè)備的正常運行帶來很大的影響。此外，無功和諧波也是造成電能質(zhì)量問題的主要因素。

（2）電分相問題。

如圖1所示，由于牽引變壓器分出的兩相電壓相位不同，因此必須在變電所出口處設(shè)置絕緣電分相；同時，分區(qū)所兩側(cè)的電壓相位也往往不同，又需要設(shè)置分區(qū)所絕緣電分相。因此，機車過電分相時需要收起受電弓，斷開與接觸網(wǎng)的聯(lián)系。而這種類似于帶電分閘的操作，對接觸網(wǎng)與受電弓而言均存在不小的安全隱患。更重要的是，過分相期間機車因失去電力牽引而速度下降，是制約高速電氣化鐵路發(fā)展的主要因素之一。在不改變供電模式的情況下，有學(xué)者提出了自動過分相技術(shù)，采用加裝斷路器的方法解除過分相時因電氣暫態(tài)過程帶來的安全隱患。這項技術(shù)雖然在一定程度上緩解了電分相問題[3]，但是在機車行駛過程中依然存在失電時段，沒有從根本上消除電分相問題對電氣化鐵路發(fā)展的制約。

1 同相供電技術(shù)

采用同相供電技術(shù)，能夠從根本上解決以負(fù)序為主的電能質(zhì)量問題和電分相問題。同相供電技術(shù)主要通過對牽引供電系統(tǒng)的改造，牽引變壓器原邊不再輪換，變電所單相供電，能夠使電氣化鐵路各供電區(qū)段具有相同的電壓相位，繼而從根本上去除電分相；通過同相供電裝置實現(xiàn)三相/單相的對稱變換，解決了電能質(zhì)量問題。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在的同相供電技術(shù)可通過實時檢測系統(tǒng)的綜合補償電流，控制潮流控制器，達到平衡三相、濾除無功電流的目的，同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

同相供電裝置由常規(guī)牽引變壓器和同相補償裝置組成，同相補償裝置應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微處理器控制技術(shù)進行補償，消除系統(tǒng)的三相不平衡，實現(xiàn)牽引系統(tǒng)的單邊或者雙邊貫通式供電。與原有的異相供電制式相比，同相供電制式主要具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）解決電能質(zhì)量問題。同相補償裝置通常為一個潮流控制器，兩端分別連接牽引變壓器的α相和β相，由α相承擔(dān)主要的供電任務(wù)，由β相承擔(dān)負(fù)序、諧波和無功補償以及次要供電任務(wù)，從而在同相供電裝置容量允許的范圍內(nèi)，消除電力系統(tǒng)的三相不平衡，同時濾除無功和諧波。

（2）消除電分相。由牽引變壓器分出的兩相只采用α相直接對牽引負(fù)荷供電，取消了變電所出口處電分相裝置。同時，為預(yù)防電力系統(tǒng)經(jīng)由多個變電所構(gòu)成回路，用分段絕緣裝置替代原有的分區(qū)所電分相裝置。而分段絕緣裝置安裝距離近，兩端沒有相位差，機車通過時無需采取措施，不會對行駛速度產(chǎn)生影響，這樣就形成了無電分相的同相供電制式。一方面，可避免列車過電分相時因開關(guān)切換引起的暫態(tài)過電壓和過電流等對車載設(shè)備和供電設(shè)備的不良影響，提高鐵路供電系統(tǒng)和列車運行的安全性和可靠性；另一方面，可以實現(xiàn)鐵路客運高速化、貨運重載化的目標(biāo)。

（3）實現(xiàn)再生制動。潮流控制器使得牽引變電所在列車制動時，再生電能反饋至電力系統(tǒng)，能有效節(jié)約供電資源，節(jié)省供電維護費用，改善列車再生電能的利用效果，節(jié)能減排效果明顯。

（4）提高牽引變壓器容量利用率。對于既有線路的同相供電改造，同相供電制式可顯著提高牽引變電所的供電能力；對于新建線路，牽引變壓器的設(shè)計容量與原有異相供電模式相比大幅下降。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外鐵路供電發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 德國

目前，德國是國際上少有的采用貫通式同相供電模式的國家，其電氣化鐵路采用自建電網(wǎng)供電，主要包括兩種供電方式：集中式和分散式。集中供電方式由鐵路專用電廠通過110 kV架空輸電網(wǎng)將16.7 Hz電能輸送到牽引變電所，經(jīng)牽引變壓器降壓后得到15 kV、16.7 Hz的電鐵供電制式；分散供電方式借助同步電機實現(xiàn)三相/單相變換，最終的供電制式與集中式相同。這種供電方式，通過三相對稱變換消除牽引變電所出口處的電分相，且以縮小牽引變電所之間的距離為代價，消除變電所間電分相，實現(xiàn)全線無分相。

2.1.2 日本

日本電氣化牽引變電所接入的電壓等級低、系統(tǒng)容量小，新干線普遍采用Scott接線方式實現(xiàn)三相/兩相轉(zhuǎn)換。而牽引負(fù)荷具有強烈的波動性和隨機性，以及早期普遍投運的相控型機車具有低功率因數(shù)及顯著的諧波特性，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量問題突出。對此，日本主要采用自主研發(fā)的靜止功率調(diào)節(jié)器（Railway Static Power Conditioner，RPC）對負(fù)序與無功電流進行補償，實現(xiàn)牽引變壓器網(wǎng)側(cè)三相平衡，同時也具備一定的諧波治理能力。其主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]，RPC裝置兩端均采用多繞組變壓器，占地面積廣，建設(shè)成本高，運行損耗大，且無法解決固有的電分相問題。

2.2 國內(nèi)同相供電技術(shù)研究現(xiàn)狀

圖2 同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

國內(nèi)的同相供電技術(shù)方案由西南交通大學(xué)李群湛教授首次提出，同相供電裝置從2010年開始陸續(xù)投入實際運行之中，先后在成昆鐵路眉山牽引變電所、山西中南部鐵路通道試驗段、京滬高鐵以及溫州市域鐵路S1線取得了滿意成效。

圖3 RPC主電路結(jié)構(gòu)

2.2.1 基于無源對稱補償?shù)耐喙╇娤到y(tǒng)

無源對稱補償技術(shù)是通過在牽引變壓器各端口處并聯(lián)電抗器或電容器實現(xiàn)無功補償，其核心是對負(fù)序電流進行補償，補償?shù)娜萘客枰S牽引負(fù)荷變化，而單一的電抗器或者電容器一旦安裝，補償容量就無法再變化。無源同相供電裝置由于在負(fù)荷調(diào)節(jié)上缺乏靈活性、體積龐大、再生制動困難，隨著電力電子元件及其控制技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)很少被采用。

2.2.2 基于有源對稱補償?shù)耐喙╇娤到y(tǒng)

同相供電技術(shù)是解決高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中電分相、負(fù)序問題最理想的方法，形成了多樣化的系統(tǒng)解決方案。這項技術(shù)的優(yōu)點在于，同相供電裝置能夠適應(yīng)負(fù)荷動態(tài)變化，在設(shè)計容量范圍內(nèi)始終保持滿意的補償，能夠同時補償負(fù)序、無功以及諧波電流。不同類型的同相補償裝置，有其各自優(yōu)勢。目前，用于同相供電系統(tǒng)的補償裝置主要有以下幾類：

（1）有源濾波器（APF）。由四象限變流器及儲能環(huán)節(jié)組成，主要作用是緩沖基波和諧波的能量，根據(jù)電流指令輸出相應(yīng)的電流、電壓；根據(jù)儲能環(huán)節(jié)不同可分為電壓型與電流型，在同相供電裝置中采用電容儲能器的電壓型有源濾波器。其優(yōu)點在于能夠通過調(diào)節(jié)輸出電流使網(wǎng)側(cè)達到三相平衡，同時濾除諧波[5]，但是單一的有源濾波器無法實現(xiàn)能量回饋。

（2）統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）。由串、并聯(lián)有源濾波器和直流儲能單元組成，其中串聯(lián)有源濾波器靠近電網(wǎng)側(cè)，能夠補償來自網(wǎng)側(cè)的電壓跌落，提高負(fù)載電壓穩(wěn)定性；并聯(lián)有源濾波器靠近負(fù)載側(cè)，用于抵消負(fù)載側(cè)負(fù)序、無功與諧波電流[6]。由此可見，UPQC是緩解配電系統(tǒng)電壓和電流諧波問題、提高電能質(zhì)量的最佳解決方案之一，但是由于其本身成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度高等因素，在實際工程中還未得到應(yīng)用。

（3）線間潮流控制器（IPFC）。該控制器的主要組成部分就是一個單相交-直-交變流器，兩端分別在電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)進行串聯(lián)補償。IPFC不僅具備有源濾波器補償無功和濾除諧波的功能，還能在牽引變壓器不同負(fù)荷端口之間進行牽引負(fù)荷功率的交換，實現(xiàn)有功功率傳輸，達到平衡變換[7]。此外，它的結(jié)構(gòu)與控制相對簡單，易于實現(xiàn)模塊化，適用于高壓、大功率場合。IPFC也是當(dāng)前實際工程應(yīng)用中效果理想且最具發(fā)展前景的電力電子控制器之一。

3 結(jié)語

同相供電技術(shù)在電氣化鐵路良好形勢下有著巨大的發(fā)展前景，尤其在高壓直流輸電大力發(fā)展的背景下，大功率開關(guān)器件得到了廣泛應(yīng)用，給同相供電的發(fā)展提供了巨大的推力。在當(dāng)前牽引負(fù)荷向著大功率方向發(fā)展的形勢下，單一的交-直-交同相補償裝置已經(jīng)不能滿足電壓等級和容量的要求，需要采用并聯(lián)、級聯(lián)、模塊化等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提高補償裝置的耐壓水平和容量等級，這也是目前研究和應(yīng)用的主要方向。同時，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性對功率器件的控制和調(diào)制策略提出了更高的要求，需要進一步研究高性能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式來達到良好的運行效果和取得較好的經(jīng)濟效益。