電氣化鐵路同相供電技術可靠性分析

吳觀華

（中鐵十一局集團電務工程有限公司，武漢430074）

1 工程概況

溫州市域鐵路S1線一期工程總長度為53.507 km，路基3.029 km、橋梁7座39.112km，越嶺雙線隧道2座1.323 km，地下線10.043 km，橋隧比94.34%。全線建設2座地面車站、3座地下車站、13座高架車站，預留車站2座。根據規劃，近期平均站間距3.13 km，遠期減小至2.73%km。本項目采用了新型同相供電技術，這在國內市域鐵路施工建設史上尚屬首次。該技術采用同一相位的單相供電技術，可避免電分相，實現牽引網電壓同相位運行，是解決長期困擾鐵路過分相和電能質量問題的有效手段，有利于重載列車和高速牽引列車的穩定運行。

2 同相供電技術在本項目的應用特點

項目高度重視對供電系統的優化，引入了同相供電技術，有利于優化牽引網的工作狀態，使其電壓同相位運行，突破傳統方式下鐵路過分相和電能供應品質偏低的發展局限性。

同相供電技術是隨著行業的發展而衍生出的新型技術形式，具有自動化水平高、安全可靠等特點，解決了以往電氣化鐵路負序、無功等問題，以維持電氣化鐵路安全運營為前提，提高其節能環保水平。受惠于同相供電技術的多重應用優勢，其逐步成為市域鐵路電氣化建設領域的重要支撐技術。

具體至本項目中，在同相供電系統的組成中，通過潮流控制器的應用實現對牽引變壓器的整合，使該處的2條饋線合并成1條，高效向牽引網供電，此機制下各變電所的輸出電壓具有均衡性，表現出相位一致的特點，以往電分相的問題不復存在。

3 同相供電裝置的安裝

3.1 規格特點

同相供電裝置的規格特點如表1所示。

3.2 安裝方法

表1 同相供電裝置規格特點

安裝過程中，主要考慮如下幾點：（1）同相供電裝置集交直交變流器和牽引匹配變壓器于一體，為高效完成安裝，在設備生產前，以設備結構特點等方面的情況為依據，制訂可行的安裝方案，具體需考慮變壓器的安裝、變流器的安裝、饋出高壓開關柜的配置等，各方面均要滿足要求；（2）以工程進度計劃為準及時組織設備運輸作業，到達現場后全面檢查，再由專業人員將設備安裝到位；（3）以全戶內式布置方式為主，在施工前獲取房建工程的實際信息，包含施工進度、質量等，形成合理的規劃，合理安排人員，保證設備的運輸和安裝均具有流程性，以減少工序交叉，有序開展各項工作。

4 同相供電裝置結構類型

現階段，同相供電裝置已經取得較顯著的發展成果，結構類型逐步豐富，主要有如下2種：（1）單項級聯結構，其按照“背對背”的方式連接直流電源，可確保電能的交換具有足夠的穩定性與可靠性；（2）在科學技術持續發展的背景下，技術的驅動作用愈發顯著，多重化結構應運而生，擴容效果良好，可滿足大功率運行的要求。同相供電結構如圖1所示。

5 技術方案

國內關于同相供電系統的研究主要分2類：基于對稱補償技術的同相供電系統和基于有源補償技術的同相供電系統。

5.1 采用對稱補償技術構成的同相供電系統

通過并聯無功補償（PRC）方式的應用有助于削弱單相負荷所形成的負序電流，并且具備無功補償的功能，由此達到同相供電的效果。此外，也可采取并聯電容補償（PCC）的方式。YNdl1接線三相一單相系統的對稱補償，其主要特點在于補償裝置的容量利用率較低，順利設置補償裝置的必要前提在于得到3個端口的支持，且精準控制輸出的電壓，不能與鄰近單相變壓器變電所的電壓相位一致。對于特殊接線方式下所構建的三相一單相對稱補償系統，其主要運行目標體現在2方面：（1）尋找負序完備補償的最簡方式；（2）與單相接線牽引變壓器高效結合，達到同相供電的效果，發揮出電力系統承受負序的能力，將系統化繁為簡。

圖1 同相供電結構

5.2 采用有源補償技術構成的同相供電系統

PFC為潮流控制器。目前電力電子技術得到了長足發展和廣泛應用，由于具有動態響應速度快和精度高的特點，因此，基于電力電子的有源補償技術具有較高實用價值。這種同相供電方案中，潮流控制器是實現同相供電的關鍵設備。潮流控制器是由電力電子器件和控制系統構成的變流器系統，其主要組成包含3部分：（1）補償電流生成電路，可檢測牽引負荷電流的具體分量，如有功、無功和諧波；（2）電流跟蹤控制電路，其能夠產生PWM控制脈沖；（3）主電路，核心組成為變流器。從工作原理的角度分析潮流控制器的運行特性：檢測補償對象的電壓和電流，其間生成補償電流指令信號，依托于電流跟蹤控制電路可以形成PWM控制脈沖，此后帶動主電路運行，使其產生綜合補償電流，以滿足補償對象的需求[1]。

5.3 經濟優勢

同相供電系統具有較好的綜合經濟性，主要表現在：（1）取消分相，避免了分相時的列車速度損失，提高了列車的通過能力，增加了運量；（2）由于牽引變壓器利用率的提高，可降低牽引變壓器安裝容量1～2個容量等級，節省大量的固定電費（每年數百萬）；（3）可改善功率因數、降低電壓不平衡度、提高和穩定網壓，避免電能質量罰款；（4）可節省其他電能質量補償裝置（如固定補償、SC等）費用；（5）取消變電所出口分相，節省地面自動過分相裝置投資。

6 有源補償的優勢及結論

有源補償的優勢具體體現在以下3個方面：

1）防止并聯電容器組對諧波的放大。在電網中并聯電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用。當諧波存在時，在一定的參數下電容器組會對某次諧波發生振蕩，從而對該次諧波起放大作用，危及電容本身和附近的電氣設備。在對電容器組的部分支路采取改造措施后（改為濾波器），或采用串聯電抗器的方式，可抑制電容器組對諧波的放大作用，改善運行環境。

2）增設靜止無功補償裝置。電弧爐、卷揚機等裝置在運行期間存在快速變化的諧波源，同時伴有供電電壓的波動和閃變現象，甚至在特殊情況下會出現系統電壓三相失衡的局面，導致公用電網難以維持正常工作狀態，電能質量大幅下降。對此，在精準鎖定諧波源后，于該處以并聯的方式設置靜止無功補償裝置，此舉有助于減少波動的諧波量，克服三相不平衡的問題，也能在一定程度上補償功率因素。

3）改善供電環境。正確選用供電電壓，切實維護三相電壓的均衡性與穩定性，此舉有助于削弱諧波對電網產生的影響。諧波源的供電對象為高一級電壓的電網，架設專門的線路，以滿足諧波源負荷的供電需求，以免因諧波的存在對其他負荷帶來負面影響。在該工作機制下可抑制甚至完全消除高次諧波。

較之于對稱補償技術，此處所提的有源補償技術的綜合應用優勢更為顯著，高度可控、快速響應，可以根據需求補償各次諧波，緩解甚至解決閃變、補償無功的問題；成本方面，濾波特性并不會受到系統阻抗的干擾，避免了與系統阻抗發生諧振的問題。在容量逐步加大的行業發展背景下，有源濾波技術的應用優勢逐步顯現，應將其視為改善電能質量的關鍵技術，并擴寬其適用范圍，打破以往僅補償用戶自身諧波的束縛，將其延伸至整個電力系統中，切實提高整體的電能質量。

7 結語

同相供電技術在現階段的電氣化鐵路工程建設事業中取得廣泛的應用，同相供電系統的可靠性成為技術人員乃至社會各界高度關注的對象，為推動電氣鐵路的高效運行，必須展開可靠性分析，以便準確認識同相供電系統的運行狀況，發現問題后及時采取處理措施，切實保證同相供電系統的可靠。