康亞周

摘 要 我國電氣化鐵路采用單相供電系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)存在負序、無功、諧波等電能質(zhì)量問題，同時過分相裝置存在實現(xiàn)復雜、壽命短、投資大、可靠性低的問題。同相供電技術(shù)可從技術(shù)上全面取消過分相裝置，實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)全線同相供電，不僅可徹底解決高速列車自動過分相問題。且可避免牽引負荷對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。從而為電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的升級改造提供了可行方案。

關(guān)鍵詞 電氣化鐵路;同相供電;方案

1同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探析

同相供電系統(tǒng)中的每個變電所均采用單相供電，原邊相位不再輪換，牽引變電所和分區(qū)亭處接觸網(wǎng)中可取消分相絕緣器，代之以分段絕緣器。

經(jīng)過牽引變電所，110kV三相電力系統(tǒng)變?yōu)閱蜗?7.5kV牽引電壓供給電力機車。所有變電所輸出電壓的相位相同。由于要對電力系統(tǒng)側(cè)進行平衡補償，兼諧波、無功補償，因此在變電所內(nèi)安裝平衡變換裝置BCD（簡稱平衡器）。

經(jīng)由牽引變電所，110kV三相電力系統(tǒng)變?yōu)?X27.5kV系統(tǒng)，變電所出線端分別接至接觸網(wǎng)（T）、軌道（R）和正饋線（F）。正饋線和接觸網(wǎng)之間的電壓為55kV，接觸網(wǎng)和軌道之間的電壓為27.5kV。所有變電所輸出電壓的相位均相同。同樣，為使電力系統(tǒng)側(cè)具有三相平衡的特點，在牽引變電所內(nèi)安裝平衡變換裝置。

由于采用的供電方式不同，此上兩種同相供電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)有所不同，尤其體現(xiàn)在牽引變電結(jié)構(gòu)方面。但是，AT供電方式相比直接供電或BT供電更具優(yōu)勢[1]。

2電氣化鐵路同相供電方案分析

（1）基于無源對稱補償?shù)耐喙╇姺桨?。無源對稱補償技術(shù)是以可調(diào)并聯(lián)電抗器、電容器為依托，通過并聯(lián)無功補償或并聯(lián)電容補償來消除或消弱單相牽引負荷引起的系統(tǒng)不平衡，同時兼補無功，從而實現(xiàn)同相供電。從理論上來說任何一種接線形式的牽引變壓器均可以構(gòu)造出三相/單相對稱變換系統(tǒng)，實現(xiàn)同相供電。在結(jié)合常規(guī)接線的牽引變壓器的對稱補償時，如YNdll變壓器、vv變壓器，必須在三個端口均安裝可調(diào)補償器，這就使得補償裝置的總安裝容量大于牽引負荷容量，增大了投資，補償設(shè)備容量利用率偏低，補償協(xié)調(diào)的控制手段和設(shè)備較為復雜。而采用特殊接線，如不等邊Scott接線、不等邊V，V接線等的對稱補償技術(shù)，只需在制定兩端口設(shè)置補償容量，使得補償裝置總安裝容量小于牽引負荷容量，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能實現(xiàn)與單相牽引變壓器相配合。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在對稱補償理論基礎(chǔ)上提出了基于有源補償?shù)耐喙╇娂夹g(shù)方案。

（2）基于有源補償?shù)耐喙╇姺桨?。為了有效解決電網(wǎng)諧波污染和無功沖擊等問題，隨著電力電子器件的發(fā)展，有源對稱補償技術(shù)得到了大量的研究和運用。同相牽引供電系統(tǒng)是在現(xiàn)行牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在各個牽引變電所內(nèi)引入平衡變壓器和變流器，使現(xiàn)有變電所的兩供電臂合并，實現(xiàn)單相供電，接觸網(wǎng)各區(qū)段電壓相位相同。在由平衡變壓器供電的牽引系統(tǒng)中，當兩個供電臂的負荷相等時，即兩個負荷的電流幅值相同、功率因數(shù)相等時，變壓器高壓側(cè)的三相電流是對稱的，利用平衡變壓器的這個特性在如下圖中機車所需的有功功率是變壓器提供，同時當兩個供電臂的負荷不相等的情況下，右邊的變壓器提供一部分有功功率給左邊的供電臂，其結(jié)果是變壓器兩個繞組均輸出相同的有功功率，實現(xiàn)供電臂有功功率平衡，并且供電臂的無功功率由兩個四象限變流器提供，最終實現(xiàn)兩個供電臂電壓和相位的相同，取消變電所出口分相。

（3）組合式同相供電方案。在現(xiàn)有同相供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改善后提出的組合式同相供電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)補償裝置容量最小化、技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)化的目標，因此對組合式同相供電設(shè)計方法進行研究有著更為實際的意義。①單相組合式同相供電。單相組合式同相供電原理是由牽引變壓器TT和高壓匹配變壓器HMT構(gòu)成不等邊的Scott變壓器，即一種供電容量不等，電壓相位垂直幅值相等的特殊類型的平衡變壓器。當單相組合式同相供電系統(tǒng)正常運行時，單相變壓器和交直交裝置一同給牽引網(wǎng)負荷供電，其中牽引變壓器承擔主要的供電任務，交直交裝置承擔次要的供電任務，即牽引負荷的計算容量為牽引變壓器計算容量與交直交裝置的計算容量之和。交直交裝置的計算容量由引起三相電壓不平衡度超標部分的牽引負荷容量確定。②單三相組合式同相供電。對于現(xiàn)有電氣化鐵路的改造和原邊需要大電流接地的情況來說，單三相組合式同相供電系統(tǒng)更加滿足鐵路設(shè)計需求。組合式同相供電技術(shù)是新一代牽引供電系統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)之一，它不僅可用于鐵路的新線建設(shè)，也方便于我國高速鐵路、重載鐵路廣泛采用的單相接線（型）牽引變電所的同相供電改造與升級，具有良好的適用性。比較單相組合式同相供電與單三相組合式同相供電可見，組合式同相供電方案省卻了一級匹配變壓器，這不僅節(jié)約成本，減少占地，還可提高系統(tǒng)效率。新發(fā)展起來的MMC（modularmultileveconverter）技術(shù)可以使交直交變流器直掛于牽引母線，則可進一步省卻牽引匹配變壓器。

（4）雙邊供電技術(shù)。雙邊供電就是用分區(qū)所SPk中的斷路器將相鄰的牽引網(wǎng)TNk和TNk+1聯(lián)通，相鄰的牽引變電所SSk和SSk+1對TNk和TNk+1構(gòu)成雙邊供電。新的雙邊供電方案是在SSk的牽引饋線串接電抗器Lk，在SSk+1的牽引饋線串接電抗器Lk+1，SSk用單相牽引變壓器TTk，SSk+1用單相牽引變壓器TTk+1，分別在公共連接點PCCk和PCCk+1處接入電力系統(tǒng)輸電線ABC。電力系統(tǒng)與牽引變電所的電氣聯(lián)結(jié)方式稱為外部供電方式，它取決于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及其與牽引變電所的相對位置等因素。一般說來，有環(huán)形單回路、環(huán)形雙回路、單電源雙回路、放射式等方式[2]。

3結(jié)束語

針對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的大量負序、諧波、無功等電能質(zhì)量問題，本文介紹了傳統(tǒng)同相供電技術(shù)方案及其局限性，介紹了有源補償設(shè)備容量最優(yōu)化的組合式同相供電技術(shù)方案，最后提出了新型雙邊供電技術(shù)方案，為同相供電的理論研究和實際應用提供了參考。

參考文獻

[1] 肖剛.基于MMC的同相供電實驗系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學，2016.

[2] 胡家喜，周方圓.電氣化鐵路列車過分相技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].機車電傳動，2019，（3）：1-5.