一種貫通式同相供電系統及原理分析

［關鍵詞］電氣化鐵路；同相供電；自動過分相

電氣化鐵路是大宗移動性單相負荷，大多數國家采用單相單邊供電方式，會在三相電網產生大量負序電流，對電網供電品質帶來一系列不利影響，尤其是重載貨運線路，機車載重大，線路坡道大，產生的負序電流也很大，三相電壓不平衡度易超標。此外，針對重載貨運線路，經常出現一臂重載、一臂輕載，尤其是重載機車在大坡道運行時，一供電臂負荷電流很大，牽引變壓器容量利用率低、三相負序嚴重，易造成變電所變壓器過負荷和負序跳閘。隨著我國高速與重載鐵路的迅速發展，列車單機牽引功率和發行密度不斷提高，上述問題更加顯著，因此對牽引供電系統容量、利用率等提出更高要求。

隨著功率開關器件制造技術和大功率變流技術的發展，電氣化鐵路電力電子化是一種解決上述問題的有效方法，且大功率變流技術在牽引變電領域得到了逐步應用。同相供電技術是一種典型代表，指相鄰供電區間的接觸網電壓相位一致的牽引供電方式，典型實現方式為在牽引變電所通過交直交變流器實現電壓變換，形成單一電壓源向列車負荷供電。地面自動過分相是在牽引變電所或分區所采用高壓斷路器或晶閘管閥組實現將中性區與某一供電臂接通，使得列車帶電通過中性區。

為進一步改進電氣化鐵路牽引供電系統，文章提出一種虛擬貫通式同相供電系統，結合變電所同相供電和分區所地面自動過分相技術，形成虛擬式全線同相貫通的牽引供電系統，在滿足現階段電網運行條件下提升牽引供電系統供電品質與列車過分相性能。

1 虛擬貫通式同相供電

1.1 系統結構

虛擬貫通式同相供電系統主要由牽引變電所同相供電子系統和分區所地面自動過分相子系統構成。同相供電子系統采用“牽引變壓器+變流器”的形式輸出單相電壓，實現同一牽引變電所對應的供電區間接觸網電壓同相位。分區所地面自動過分相子系統從某一供電臂取電，經變流器向中性區接觸網供電，實現中性區帶電行車且采用調幅移相的方式調節中性區電壓，使列車帶電帶載無感知通過分相區。虛擬貫通式同相供電系統結構如圖1所示。

1.2 變電所同相供電

變電所同相供電，以采用Scott牽引變壓器的典型結構為例，變壓器低壓側M座輸出端與牽引母線連接，T座輸出端與同相供電變流機組連接，共同向牽引負荷供電，系統結構如圖2（a）所示，變流器可以采用兩電平多重化或多電平結構形式，如圖2（b）所示。

同相供電系統主要功能有：①可取消變電所出口處電分相，避免列車過分相速度損失，減小車載電氣設備故障率；②提高接觸網供電品質，尤其是減小三相電網側負序電流，降低電網電壓不平衡度，解決現我國部分鐵路負序超標問題。此外，還可兼顧一定程度的無功補償與諧波抑制。

1.3 分區所地面自動過分相

采用基于全控型功率開關器件實現地面自動過分相，通過變流器向中性區供電，并通過調幅移相的方式調整中性區電壓，實現列車帶電、帶載平滑通過中性區。圖3為地面自動過分相系統結構及變流器典型拓撲，圖4為中性區電壓調幅移相示意圖。該系統主要功能及特征如下：①輸出側變壓器串聯至某一供電臂與中性區之間，僅需輸出目標電壓與供電臂電壓之差，所與輸出側變壓器并聯接入中性；②通過調幅移相方式向中性區供電，等效于全線同相貫通，列車可實現無感知過分相。

2 仿真驗證

2.1 變電所同相供電

設定電網電壓為110kV，牽引網額定電壓為27.5kV，帶載4MVA。在0.3s時同相供電機組投入運行，同相供電變流機組波形如圖5所示，電網側電壓、電流波形如圖6所示。由此可知，同相供電變流機組輸入側單位功率因數運行，其輸出電流與Scott變壓器M座相同，實現了T座和M座均衡輸出，電網側電流平衡。

2.2 分區所地面自動過分相

設定列車由α相供電臂向β相供電臂行駛，由地面自動過分相系統向中性區供電，中性區電壓與α相供電臂相同。當列車駛入中性區后，在0.8s時地面自動過分相系統輸出電壓開始調幅移相，經過0.1s使中性區電壓逐漸變換與β相供電臂相同。供電臂與中性區電壓波形如圖7所示，列車負載電流波形如圖8所示。列車整個過程持續供電，無暫態沖擊。

3 結束語

文章提出一種虛擬貫通式同相供電系統，由變電所同相供電和分區所地面自動過分相構成。該系統可實現負序等電能質量治理、提高牽引變壓器容量利用率，綜合提高供電能力和供電品質，還可以通過調幅移相的方式向接觸網中性區供電，實現列車帶電、帶載通過分相區。