福州—長樂機場城際鐵路同相供電方案研究

侯 峰

0 引言

電氣化鐵路存在的過分相和電能質量問題不僅嚴重限制了城際鐵路的發展，同時引起了地方供電公司和城際鐵路建設方在電能質量問題上的分歧。該分歧導致地方供電與城際鐵路之間互相影響制約，對雙方的發展均不利，同時大大影響了地方經濟的發展。

針對上述問題，借助現代電力電子技術和控制理論，實現城際鐵路同相供電及更高層次的貫通供電是較為理想的解決方案。

1 存在問題

我國現行電氣化鐵路供電系統及其技術在實現高速、大功率電力牽引時存在以下突出問題[1]： （1）過分相問題。牽引供電系統中牽引變電所和分區所均設電分相，變電所處為異相過分相，分區所處為同相過分相。過分相機電過程復雜，自動過分相裝置結構復雜、動作頻繁、壽命短、可靠性低，其依然是目前需要攻克的技術難題之一。同時，牽引變電所處自動過分相失敗會造成異相短路。 （2）電分相造成的列車速度和牽引力損失問題。受列車速度、長大編組雙弓受流影響，高速鐵路中性段長度增加到1 km左右，約5%的供電線路屬于無電區，嚴重影響牽引供電系統整體性能。特殊情況下，如在大坡道上設置電分相，容易造成重載列車坡停。電分相成為高速、大功率牽引供電系 統中最薄弱的環節。

（3）以負序為主的電能質量問題。目前電氣化鐵路牽引供電系統運行方式主要由牽引變壓器接線方式決定，除單相接線外，其他均為兩相（異相）供電，相對三相電力系統而言，牽引負荷具有不對稱性。

2 同相供電方案研究

2.1 同相供電發展現狀

2.1.1 貫通式同相供電技術

對于同相供電技術，其本質是一種對稱補償技術，作用是在牽引變電所進行負序和無功的綜合補償，能夠實現牽引網使用單一相位電壓供電[2]，其實現方法主要采用無源對稱補償技術[3～5]。文獻[6，7]詳細介紹了新一代牽引供電系統，即貫通式同相供電系統，其主要包含三大關鍵技術：

（1）組合式同相供電技術，即采用單相變壓器配合最小容量補償裝置的一種同相供電技術，能夠在對負序和無功進行治理的同時取消牽引變電所出口處的電分相。

（2）新型雙邊供電技術，能夠取消分區所處的電分相，為了減小均衡電流的大小，可以串聯電抗器，使其對電力系統的影響降至最低。

（3）牽引網分段供電與測控技術，對牽引網進行分段，同時運用同步測控技術，能夠更及時、更準確地判斷出故障類型及故障位置，使牽引網安全穩定運行，提高可靠性。

貫通式同相供電系統示意如圖1所示。

圖1 貫通式同相供電系統示意圖

2.1.2 全交直交同相供電技術

基于德國單相低頻交流制實現的全交直交同相供電模式，可構造單相工頻模式的同相供電系統。該系統由牽引變電所和牽引網構成，牽引網仍采用50 Hz工頻供電，全線貫通，牽引變電所由三相（降壓）變壓器和三相/單相交-直-交變流器（也稱潮流控制器PFC）串聯而成，如圖2所示。顯然，牽引網全線貫通可以取消電分相，而牽引變電所的三相/單相交-直-交變流器可以實現負序電流為零、功率因數為1的控制，同時將諧波控制在允許范圍內，從而在根本上解決電能質量問題。

圖2 單相工頻同相供電牽引變電所結構

牽引饋線分上下行兩組，分別設置斷路器及相關保護，兩組斷路器分別用于上下行區間供電，也便于故障切除和縮小故障范圍；分區所的斷路器閉合，以實現牽引網貫通供電。牽引變電所取電于三相電力系統，經三相變壓器降壓后連接三相/單相交直交變流器，其中直流儲能環節一路經逆變環節送出牽引電壓，當電力電子器件集成后經濟耐受電壓足夠時，可省去圖2中虛線框中單相升壓變壓器，直接輸出額定值為27.5 kV、50 Hz的饋線電壓，另一路經逆變輸出三相四線制電源，供所內自用電[2]。

該同相貫通供電系統牽引饋線輸出的電壓可視為電壓源，其大小、相角均可自行控制，如圖3所示[2]。

圖3 牽引網各饋線電壓調整示意圖

全交直交同相供電系統的巨大優勢是對電力系統不產生過度干擾，且牽引網的電壓、潮流可自行調整，并可通過優化牽引負荷潮流將同相貫通供電系統的牽引變電所的容量降到最低，從而大幅節約投資成本，提高系統經濟性。

2.2 過分相技術

2.2.1 電力電子過分相技術

國內既有的過分相技術分為車載過分相和地面自動過分相。地面自動過分相裝置可以采用真空開關，也可采用電力電子開關。

真空開關屬于具有動作機構的物理開關，開關分合閘時刻精確控制較為困難，分合閘過程的過電壓和過電流明顯，并且存在可靠性不高的問題。

電力電子開關（晶閘管閥組）可代替傳統機械開關，可有效解決真空開關帶來的問題。由于晶閘管在電流過零時關斷，可消除分閘時的截斷過電壓；晶閘管的導通相位可以控制，可以很好地抑制合閘過電壓和過電流，并且晶閘管開關的關斷次數幾乎不受限制，相對真空斷路器而言具有較長的使用壽命。電力電子過分相裝置的拓撲結構如圖4所示。主要設備構成及用途：

QS2：有列車通過時處于閉合狀態；

QS3：有列車通過時處于閉合狀態，高壓晶閘管閥組SCR-V2檢修時處于斷開狀態；

QF1：正常狀態閉合，當高壓晶閘管閥組SCR- V1或QF2拒分時動作，分斷電路；

QF3：正常狀態閉合，當高壓晶閘管閥組SCR- V2或QF4拒分時動作，分斷電路；

QF2：高壓晶閘管閥組SCR-V1故障時備用； QF4：高壓晶閘管閥組SCR-V2故障時備用。

圖4 電力電子過分相裝置

采用電力電子過分相裝置可以實現列車不降速、安全平緩通過分相區，特別是對于長大坡道區段，可以明顯提高列車的通過能力，避免發生坡停，保證線路上列車安全運行。

新型浸梗機中煙梗由刮板式輸送機構強制阻擋，從而前進速度緩慢可調，使除去雜質后的煙梗在40℃～80℃循環水中強制浸泡20～120s(可調)。浸泡后煙梗溫度與水溫能達到較好的平衡，同時煙梗含水率達到36.02%，能滿足后續加工要求，增溫增濕能力較強。表1為傳統的水洗梗和新型的浸梗機應用后梗絲質量的對比分析。

2.2.2 柔性過分相技術

柔性過分相技術也稱無斷電過分相技術[8]，能夠實現電力機車不斷電地以額定牽引功率全速或以額定功率運行于再生制動工況通過電分相環節。

電氣化鐵路不斷電過分相系統簡化示意如圖5所示。電力系統三相電壓經牽引變壓器后變為兩相電壓UA和UB，分別接入Alpha相和Beta相（以下簡稱為A相和B相）兩牽引供電臂。對于不同接線方式的牽引變壓器，UA和UB之間的相位差可能是60°或90°。兩牽引供電臂之間存在一個無電中性段，供電臂與中性段之間通過空氣絕緣錨段關節MDA和MDB實現電氣絕緣。3個位置傳感器分別位于兩供電臂及中性段中間位置對應地面，從而檢測機車所處位置。

圖5 不斷電過分相系統結構

3 福州—長樂機場城際鐵路同相供電方案

福州—長樂機場城際鐵路全線長62.4 km，共設置主變電所3座（東升主變、首占主變、大鶴主變），分區所3座，分區所同車站降壓所合設，分別位于福州火車站、祥謙站和濱海新城站。

與普通交流電氣化鐵路相比，該城際鐵路具有站間距短、站間距不均勻、列車啟動與制動頻繁的特點，若采用傳統牽引供電系統供電，其電分相的設置將嚴重影響列車運行，列車通過電分相時斷電，失去牽引力，影響運行速度。若列車初速度過低將導致無法靠慣性通過電分相，從而造成停車等事故。

鑒于目前國內尚無全交直交同相供電成熟應用案例，貫通式同相供電等效全線同相，滿足列車全線不斷電運行功能，以及從設備發展成熟度的角度考慮，本工程采用貫通式同相供電技術。具體來講，在牽引所采用單相組合式同相供電技術，分區所采用地面電子開關過分相技術。

3.1 單相組合式同相供電

如圖6所示，牽引變壓器TT與高壓匹配變壓器HMT構成不等邊SCOTT連接組，即構成一種供電容量不等、電壓幅值不等、電壓相位垂直的特殊三相-兩相平衡變壓器。正常運行時，牽引變壓器TT及同相供電裝置CPD為牽引網負荷供電，TT擔負主要供電任務，CPD擔負次要供電任務及三相電壓不平衡度的調整。

圖6 單相組合式同相供電原理

單相組合式同相供電可取消牽引變電所出口處電分相，從技術上可解決該處電分相問題。

3.2 地面電子開關過分相

全線設置3座分區所，保留電分相，采用地面電子開關自動過分相系統。拓撲結構如圖4所示。

本工程在所間分區所和首占站設置接觸網地面電子開關過分相裝置，共計3套。

4 同相供電可靠性分析

4.1 主變電所同相裝置拓撲結構

本工程在東升和首占主變電所設置單相組合式同相供電系統，牽引變壓器采用SCOTT接線，同相供電裝置容量為5 MW。下文以東升主變電所為例進行分析。

東升主變電所設置2套2.5 MW同相裝置并列運行，每套包含2組1.25 MW變流器（IGBT采用3 300 V/1 500 A方案），近期正常運行為4組變流器（某一組變流器故障退出不影響其他變流器運行），總容量5 MW。同相供電系統中，變壓器繞組的變比為10/1 kV、1/27.5 kV，直流側電壓為1 000 V。

單套2.5 MW同相裝置內部接線如圖7所示。分析系統拓撲結構可知：系統正常運行時，2套同相裝置并列運行，4組同相補償變流器（ADA）必須同時正常運行才可達到5 MW容量，以滿足系統近期正常運行需求。每組同相供電裝置內的變流器1、變流器2采用單相兩電平拓撲結構，每個橋臂采用2臺IGBT并聯以達到分流的目的。

圖7 同相裝置內部接線

同相裝置的一組變流器容量S1為1.25 MW，選用3 300 V/1 500 A的IGBT構成單臺最大容量為3 300×1 500/2/3 = 0.825 MW。

兩電平拓撲結構中，IGBT承受的反向電壓為直流側電壓，IGBT在正常工作中承受的反向電壓不能超過其額定值的1/2[9]，因此選取直流側電壓Ud= 1 000 V＜3 300/2 V，低壓側繞組額定電壓UN2= 1 000 V；低壓側繞組額定電流為IN2=S1/UN2=1 250 A。

在正常工作中，IGBT流過的電流不能超過其額定值的1/3[9]，每個IGBT的可用電流I1= 1 500 /3 = 500 A；每個單元各橋臂需要并聯IGBT數目表示大于等于a的最小整數。

因此，當低壓側繞組額定電壓UN2= 1 000 V時，系統正常運行需要3個IGBT同時正常工作才可保證同相供電裝置的正常運行。

4.2 同相裝置可靠性評估

本工程東升、首占主變電所的主接線從進線電源到牽引母線之間均相同，均為2個主變壓器共用1套同相補償裝置，區別在于牽引變電所從牽引母線引出的饋線數量不同。鑒于此，將牽引變電所進線電源到牽引母線部分稱為變電所模塊，將牽引母線到接觸網之間的饋線部分稱為饋線模塊，每個牽引變電所均由變電所模塊和饋線模塊串聯組成。

根據東升牽引變電所的主接線示意圖繪制其變電所模塊的詳細電氣主接線如圖8所示。1#進線和2#進線均為110 kV進線電源，互為備用，以滿足主變電所的供電連續性；正常工作時，兩組進線、主變壓器均一主一備投入運行，隔離開關G7、斷路器DL5均斷開；當外部電源故障時，隔離開關G7、斷路器DL5合閘，由另一回外部電源供電。

主變電所通過牽引母線引出饋線為接觸網供電，此處定義圖8所示部分正常工作的條件是饋線可從牽引母線正常取電。

圖8 東升變電所模塊主接線

根據圖8畫出對應的GO圖如圖9所示。圖9中各操作符的說明如表1所示。

表1 東升變電所主接線GO圖操作符說明

圖9 東升主變電所GO圖

查閱文獻[10～12]可以得到主變電所內主要電氣設備的可靠性數據如表2所示。對于主變電所內其他設備如避雷器等，其故障率相比其他設備要低很多，可以認為其完全可靠，計算簡化。

表2 主變電所內基本元件可靠性參數

主接線圖中將主變壓器和高壓匹配變壓器作為一個整體考慮，因此在GO圖中，用操作符9、10表示主變壓器T和高壓匹配變壓器HMT組合而成的一個模塊，這兩個模塊分別由T1、HMT1、DL3、LH3、G3、DL6、LH5和T2、HMT2、DL4、LH4、G4、DL7、LH6串聯組成，二者組成元件、結構、參數均相同?？紤]部件停工相關性，經過計算可得操作符9、10的等效可靠性參數如表3所示。

表3 操作符9、10等效可靠性參數

操作符15和16代表的是ADA模塊，操作符15由DL8、LH7、BLG、TMTT、DL9、LH8、G8串聯構成，考慮停工相關性，經計算可得操作符15的等效可靠性參數如表4所示。操作符16的等效可靠性參數與操作符15的相同。

表4 操作符15、16等效可靠性參數

根據GO法的計算法則，代入表2、表3和表4的數據，可以計算得到變電所的可靠性特征量。針對傳統的牽引變電所，當系統未采用同相供電裝置的情況下，采用上述分析法，可得出牽引變電所的可靠性特征量。兩者結果對比如表5所示。

表5 可靠性特征量結果對比

本工程貫通供電系統采用分布式供電，且變電所部分饋線結構較復雜，因此計算系統可靠性時采用了分塊計算的方法，降低了計算難度。對比貫通供電系統牽引變電所和傳統供電系統牽引變電所的可靠性計算結果可以看出，組合式同相供電系統的牽引變電所可靠性比傳統牽引變電所稍高。

5 結論

（1）全交直交方案是典型的串聯系統，主變低壓側三相中的每一相又分成若干組，每組繞組或其相連的變流器故障將導致整個系統故障。該系統物理上為并聯結構，邏輯上為串聯，其可靠性大大降低。

（2）組合式同相供電方案的主變與同相補償裝置（交直交變流器）為并聯系統，同相補償裝置故障在短時間內不影響正常供電。同相補償裝置容量按補償超標的那一部分負序容量設置，由于交直交變流器幾乎沒有過負荷能力，須按95%概率值甚至最大負荷需求設計其容量，其總容量遠大于組合式同相供電的交直交變流器容量。

（3）采用了組合式同相供電系統的牽引變電所可靠性比傳統牽引變電所稍高。