基于同相供電系統混合補償

趙旭 程天宇 周子淳

摘要：隨著電氣化鐵路向高速、重載方向發展，電能質量和相分離問題已成為電氣化鐵路需要解決的兩大問題。同相供電技術是解決這兩個問題的理想解決方案。目前的同相供電系統存在有源補償裝置容量大、成本高等問題，限制了共相供電系統的推廣應用。因此，降低有源補償裝置的容量對共相供電技術的發展具有重要意義。本文首先總結了傳統電氣化鐵路牽引供電系統的主要問題及同相供電系統的發展現狀。總結了同相供電系統的實現方法和系統結構。針對僅使用有源補償裝置時有源補償容量較大的問題，結合有源補償和無源補償的優點，提出一種基于混合補償的同相供電系統。通過增加無源器件，有效降低了有源器件的容量，降低了成本，提高了系統可靠性。

關鍵詞：共相供電系統;電能質量;電相分離;混合補償

簡介：本文首先總結了傳統電氣化鐵路牽引供電系統的主要問題及同相供電系統的研究現狀。總結了同相供電系統的實現方法和系統結構。接下來結合有源補償和無源補償的優點，提出一種基于混合補償的同相供電系統。

第一章

背景和研究的意義

牽引供電系統作為電氣化鐵路的核心組成部分，對保證鐵路安全高效經濟運行起著重要作用。單相交流牽引供電系統具有供電容量大、建設成本低、牽引負荷容量大等特點，將在電網中引入。負序、諧波、無功等電能質量問題。牽引變電所中相鄰兩供電臂間的電壓相位差，為防止相反相短路而設置的電氣隔相裝置。電相分離的存在會引起列車牽引、速度損失等一系列問題。可見，電能質量和電相分離是牽引供電系統亟待解決的兩大問題。

1.1國外研究

共相供電技術在有效解決上述問題的同時，成為國內外研究熱點。針對電氣化鐵路牽引供電系統存在的一系列問題，國外學者做了大量研究。日本EFC的拓撲結構H橋級聯多交流-直流-交流拓撲結構，其直接與饋電系統相連，保持電壓和電源供應的優點，不需要Scott連接變壓器，供電可靠性高。[1]

1.2國內研究

針對我國現有的牽引供電方式，西南交通大學李群展教授首先提出了我國相牽引供電系統改造中存在的差異，建設相牽引供電系統，從根本上解決了電氣化鐵路存在的問題電能質量和電力均等劃分問題，為我國高速鐵路的發展奠定了基礎。2010年，李群詹教授團隊研制的國內首臺同相供電裝置已在成昆線路眉山牽引變電站投入運行。諧波、無功、負序等電能質量問題得到了極大的改善，而變電站出口處的電相分離被取消。該裝置穩定、安全、可靠，為我國電氣化鐵路的發展翻開了新的篇章，被譽為電氣化鐵路領域的革命性創新[2]。2014年，全球首臺單三相組合式共相供電裝置在山西中南通道沙余牽引變電站成功投產。與眉山牽引變電站的共相供電系統方案相比，該方案可有效減少共相供電裝置的一次性投資，大大提高負序效應，提高牽引變電站的供電質量和設備的容量利用率。[3]

第二章

基于混合補償的同相供電系統

由于無源補償裝置動態調節能力差，單次補償具有很大的局限性。主動補償裝置雖然動態調節能力強，補償效果顯著，但高昂的價格限制了它的廣泛應用。目前在治理電能質量方面，最常用的混合補償方式是主動和被動相結合的補償方式，通過無源補償裝置來降低這種補償方式。低有源補償裝置的容量促進了其在電能質量控制和同相供電領域的推廣和發展。西南交通大學李群展教授團隊首次提出了一種混合被動對稱補償和主動補償裝置的補償方案。澳門大學研究團隊通過改變鐵路電能質量補償器（RPC）結構，提出了混合補償器（HPQC），混合補償裝置有效降低了有源補償能力。

2.1基于V/V牽引變壓器的混合補償共相供電系統。

基于V/V牽引變壓器的混合補償共相供電系統.系統由V/V牽引變壓器、單相降壓變壓器、無源補償裝置和有源補償裝置組成，其中無源補償裝置（電容器或電抗器）連接兩個非拉負載口，對負序補償裝置和有源補償裝置組成。連接兩個變壓器繞組端口，實現兩個繞組之間的有功功率，實現負序動態補償，同時對牽引負載產生的無功功率和諧波進行補償，實現電能質量的全面管理。V/V牽引變壓器的三個輸出相位的牽引負載可以在端口上使用，從而產生負序電流和牽引。

2.2基于V/V牽引變壓器的HPQC混合同相供電系統

基于V/V牽引變壓器，系統主要由V/V牽引變壓器和HPQC組成，由電抗L、耦合分支LC和有源補償裝置組成，L和LC分支具有平波和無功補償功能，通過背靠背變流器的有源補償裝置實現了兩側繞組之間的功率融合，為牽引負載和兩端提供相同的有功功率。補償適當的無功功率、無功功率、負序和諧波動態補償，實現三相系統平衡。HPQC兩端連接到變壓器次級繞組的兩端，LC和L用于補償部分無功功率，以減少有功補償。補償設備容量的目的。

參考文獻：

[1]張志強。電子變頻器在新干線鐵路站場電源中的應用[j]。2014年國際電力電子大會（IPEC-Hiroshima2014-ecceASIA）。IEEE2014。1054-1061。

[2]基于模塊化多電平換流器的交直流-交流變電站控制策略研究[J].工程中的數學問題。2017：1-14.

[3]戴楠，黃明春等.用于電氣化鐵路共相供電系統的混合電能質量調節器[J].IET電力電子。2012，5（7）：1084-1094.

作者簡介：趙旭，性別：男，籍貫：河北省任丘市，民族：漢族，學歷：本科，就讀于石家莊鐵道大學。