鐵路單相電力供電方案研究

中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 汪 淳

電氣化鐵路沿線存在大量不同類型的電力負(fù)荷，這些電力負(fù)荷的用電需要貫穿在電氣化鐵路的建設(shè)與運行期間。中國鐵路經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，為保證鐵路沿線電力負(fù)荷的用電需要，形成了一套較為可靠的電力供電方案：信號采用自動閉塞制式的高等級鐵路，全線設(shè)一條10kV綜合負(fù)荷貫通線和一條10kV一級負(fù)荷貫通線，即采用雙回電力貫通線供電的方案；信號采用半自動閉塞制式的普速鐵路，全線設(shè)一條10kV綜合負(fù)荷貫通線，即采用“單貫通”方案；車站密度較大的城市及城際鐵路采用環(huán)網(wǎng)供電方案，即全線設(shè)兩條10kV綜合負(fù)荷饋線；對于一些地區(qū)電源匱乏的鐵路，沿線只具備一路貫通電源的條件，第二路電源由接觸網(wǎng)越級取電，作為沿線區(qū)間和車站負(fù)荷的備用電源。

面對中國鐵路“走出去”的需求，需要在已有技術(shù)優(yōu)勢基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。本文重點對采用牽引供電系統(tǒng)中牽引變電所牽引側(cè)母線作為電力供電電源、采用單相電力貫通線的電力供電方案進(jìn)行研究。

1 單相電力供電方案工作原理

1.1 系統(tǒng)方案

單相電力供電方案如圖1所示，采用由各牽引變電所主變二次側(cè)母線接引27.5kV電源，設(shè)交流單相27.5kV電力貫通線供電，在三相電力負(fù)荷點處設(shè)交直交電源設(shè)備（單相27.5kV/三相0.4kV）供電，單相電力負(fù)荷點處設(shè)單相27.5/0.22kV變壓器供電。

圖1 單相電力供電方案示意圖

1.2 交直交電源設(shè)備工作原理

交直交電源設(shè)備以電力貫通線的單相27.5kV交流電作為交流輸入電源，經(jīng)單相變壓器降壓后，再經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部的整流回路變成直流，通過逆變回路變換成三相交流電，實現(xiàn)交直交電源變換。

整流回路。采用單相兩電平電壓型脈沖整流器，電源取自交流單相27.5kV電力貫通線，通過降壓變壓器，將27.5kV交流電源變換成230V低壓，經(jīng)過整流器變換為電壓幅值約為500V直流電壓。

逆變回路。采用由三個單相逆變器組成的組合式三相逆變器（圖2）。其中L為濾波電感，C為濾波電容，r為對應(yīng)于死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)管壓降、線路阻抗的等效電阻，T為輸出隔離變壓器。由A、B、C三個單相逆變器組合而得，分別通過LC濾波器得到三相電壓，經(jīng)三相隔離變壓器輸出三相交流電壓。三個單相逆變器的開關(guān)管驅(qū)動信號互差120°，三相輸出電壓Ua、Ub、Uc大小相等，相差120°，構(gòu)成一個平衡對稱的三相交流電源。組合式三相逆變器具有良好的帶不平衡負(fù)載能力和優(yōu)良的電氣性能。相同功率條件下，與三橋臂的三相逆變器相比六橋臂十二個開關(guān)管的三相逆變器每個IGBT承擔(dān)的電流低一半，被廣泛應(yīng)用于大功率場合。

圖2 組合式三相逆變器主電路結(jié)構(gòu)

2 仿真模型

仿真示意圖如圖3，由牽引變電所主變二次側(cè)母線引出單相27.5kV電力貫通線，各負(fù)荷點（單相負(fù)荷P1-8、三相負(fù)荷C1-8）從單相電力貫通線上接取27.5kV電源。在Matlab/Simulink下構(gòu)建的仿真模型主要有5個模塊組成：鐵路牽引供電系統(tǒng)、鐵路動車組模塊組(Tn)、電源設(shè)備模塊(Di)、電力貫通線模塊、用電負(fù)荷模塊（Pj，Ck）。

圖3 單相電力供電方案仿真示意圖

鐵路牽引供電系統(tǒng)。引供電系統(tǒng)采用單相工頻交流制。牽引變電所由230kV電力系統(tǒng)供電。牽引變壓器類型為單相牽引變壓器。我國高速鐵路普遍采用AT供電方式，因此本文仿真中牽引供電系統(tǒng)為AT供電方式。上下行鋼軌和綜合接地線每隔1.5km進(jìn)行一次完全橫向連接；鐵路動車組模塊。基于額定牽引功率為6×3650kVA的鐵路動車組，建立Matlab仿真模型，其中一臺牽引變流器結(jié)構(gòu)如圖4。整流回路采用SPWM調(diào)制、瞬態(tài)直接電流控制策略、載波移相技術(shù)[1]。圖5說明穩(wěn)態(tài)情況下輸出電壓、電流正弦相位相同。圖6表明用電負(fù)荷偶次諧波含量較小，3～15奇次諧波含量相對明顯。

圖4 動車組牽引變流器仿真模型

圖5 網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖

圖6 網(wǎng)側(cè)電壓、電流諧波頻譜圖

電源設(shè)備模塊。仿真模型主電路如圖7，整流回路采用采用SPWM調(diào)制和瞬態(tài)直接電流控制策略[1]，逆變回路采用PID瞬時值反饋控制技術(shù)和重復(fù)控制技術(shù)[2-3]。交直交電源設(shè)備輸出電壓仿真結(jié)果如圖8所示；電力貫通線模塊。27.5kV單相電力貫通線路采用YJLY23-26/45，1×120型單芯鋁芯電纜。在Matlab/Simulink中采用Distributed Parameter Line模塊[4]；用電負(fù)荷模塊。單相負(fù)荷（2×30kVA、0.22kV）仿真模型采用了不控整流Universal Bridge模塊和阻感負(fù)載Series RLC Load模塊，三相負(fù)荷（1×125kVA、0.4kV）仿真模型采用了阻感負(fù)載Three-Phase Series RLC Load模塊。

圖7 交直交電源設(shè)備主電路仿真模型

圖8 交直交電源設(shè)備輸出電壓波形

3 仿真結(jié)果及方案分析

3.1 電力負(fù)荷點的電能質(zhì)量

對各個電力負(fù)荷點（P1-8、C1-8）的電壓、諧波、頻率參數(shù)進(jìn)行分析，研究是否滿足電力供電的要求。

3.1.1 電壓偏差

對電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，標(biāo)稱電壓為220V。其中部分電力負(fù)荷點的最大值（V）、最小值（V）、偏差范圍（%）分別如下：P1為218.88/213.04/-0.51～-3.16；P4為219.2/213.28/-0.36～-3.05；P8為220/214.24/0～-2.62。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12325-2008中規(guī)定：220V單相用戶的供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的+7%、-10%。基于以上結(jié)果，表明用電荷電電壓均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。三相電力負(fù)荷點（C1～C8）處的交直交電源設(shè)備均能正常工作，經(jīng)過交直交電源設(shè)備變換后的三相電源電壓穩(wěn)定在額定電壓400V左右。

3.1.2 諧波

鐵路中牽引供電系統(tǒng)中的諧波源主要是各類電力機(jī)車。根據(jù)諧波仿真結(jié)果（圖6）可分析得出，牽引負(fù)荷偶次諧波含量較小，3-15奇次諧波含量較高。因此用電負(fù)荷的諧波情況只考慮3-15次奇次諧波。

部分電力負(fù)荷點電壓總諧波畸變率（%）如下：P1為9.28、C1（三相）為2.14/2.31/2.26、C5（三相）為2.14/2.3/2.26、P4為8.99、C8（三 相）為2.14/2.3/2.25、P8為8.85，與表1中數(shù)據(jù)對比GB/T 14549-1993中標(biāo)稱電壓0.38kV的限值，有動車組運行的區(qū)間，該供電臂上單相電力負(fù)荷點的電壓總諧波畸變率超出5%限值，而諧波電流未超出允許值；三相電力負(fù)荷點的電壓總諧波畸變率、諧波電流均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。為使單相負(fù)荷點諧波滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可在單相變壓器低壓側(cè)設(shè)置單相濾波器，或采用具有隔離作用的交直交設(shè)備為單相負(fù)荷供電。

表1 電力負(fù)荷點諧波電流值/A(單相220V、三相400V)

3.1.3 頻率

GB/T 15945-2008中規(guī)定：用戶沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過±0.2Hz。在仿真模型中，電源短路容量配置為3000MVA，保證系統(tǒng)有功功率。因此各用電負(fù)荷的頻率穩(wěn)定，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.2 對牽引供電系統(tǒng)的影響

電壓偏差：4節(jié)動車組在未接入沿線負(fù)荷時電壓分別為25.47/25.61/25.63/26.69kV，接入后分別為24.65/25/25.02/26.12kV。表明動車組在接入沿線用電負(fù)荷后電壓小幅下降，仍滿足動車組正常運行電壓（20～29kV）。

三相電壓不平衡度：相間單相負(fù)荷引起的負(fù)序電壓不平衡度可近似為εU2≈SL/Sk×100%，式中SL為單相負(fù)荷容量，單位VA；Sk為公共連接點的三相短路容量，大小為3000MVA。此方案中電力貫通線從牽引變電所二次側(cè)母線取27.5kV單相電，所有電力負(fù)荷均視為相間單相負(fù)荷。仿真的是單臂情況，此時三相電壓不平衡度最大。只考慮動車組與電力負(fù)荷，根據(jù)上式可估算出每個電力負(fù)荷引起的電壓不平衡度均不超過1.3%；未接入沿線負(fù)荷時牽引供電系統(tǒng)的三相電壓不平衡度為2.92%，接入沿線負(fù)荷時為2.969%，三相電壓不平衡度增大，但變化不大。

諧波：在牽引變壓器低壓側(cè)接接觸網(wǎng)C和鋼軌T處、牽引變壓器低壓側(cè)接鋼軌T和饋線F處可得到饋線電壓數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表明接入沿線負(fù)荷后牽引網(wǎng)饋線的電壓總諧波畸變率減小。諧波源為動車組和電力負(fù)荷，但接入的電力貫通線從牽引變電所母線（連接接觸網(wǎng)C和鋼軌T）取電，為牽引網(wǎng)上的諧波電流提供通路，改變了牽引網(wǎng)上的諧波電流分配，從而使得牽引網(wǎng)饋線電壓總諧波畸變率減小。

頻率：在仿真模型中電源短路容量配置為3000MVA，確保有功功率充足。因此系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

功率因數(shù)：仿真中動車組功率因數(shù)為0.98，電力負(fù)荷功率因數(shù)為0.85，交直交電源設(shè)備高壓側(cè)功率因數(shù)接近1。暫不考慮其余影響因素，接入鐵路沿線用電負(fù)荷后，牽引變電所處電源功率因數(shù)由0.98變化為0.9795。由于牽引負(fù)荷遠(yuǎn)大于電力負(fù)荷，可認(rèn)為功率因數(shù)基本不變。

3.3 方案分析

電力負(fù)荷點供電質(zhì)量：電力負(fù)荷點電壓偏差滿足電力供電要求；三相電力負(fù)荷點的總電壓諧波畸變率、諧波電流均滿足動車組運行電壓、電流要求。可在單相變壓器低壓側(cè)設(shè)置單相濾波器，或采用具有隔離作用的交直交設(shè)備為單相負(fù)荷供電，從而使單相電力負(fù)荷點諧波符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求；用電負(fù)荷的頻率相對穩(wěn)定，符合國家相關(guān)要求。

對牽引供電系統(tǒng)的影響：牽引供電系統(tǒng)的三相電壓不平衡度小幅變化，不影響系統(tǒng)正常運行；牽引網(wǎng)饋線電壓總諧波畸變率減小；可靠性與運行維護(hù)工作：此方案運行可靠性主要取決于交直交電源可靠性和牽引變電站停電兩方面。交直交電源采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)了N+1備用，可靠性高；牽引變電站停電的概率低，供電可靠性完全滿足要求。接觸網(wǎng)的4小時維修天窗點不會對電力供電造成影響；靈活性：鐵路沿線各交直交電源設(shè)備均為獨立安裝，靈活性高、建設(shè)周期短，并可進(jìn)行全線調(diào)配和局部調(diào)整。

4 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)電力供電方案，單相電力供電方案中只存在單相負(fù)荷諧波電壓偏高的情況，但可在單相變壓器低壓側(cè)設(shè)置單相濾波器，或采用具有隔離作用的交直交設(shè)備為單相負(fù)荷供電，從而使單相電力負(fù)荷點諧波符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求；相比于傳統(tǒng)電力供電方案，單相電力供電方案使得牽引網(wǎng)饋線電壓總諧波畸變率減小；單相電力供電方案具有可靠性高、靈活性高和維護(hù)方便的特點；單相電力供電方案可達(dá)到鐵路電力供電的要求。電力供電系統(tǒng)外部電源不足時，可考慮采用單相電力供電方案。