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(fā)展，電能質(zhì)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(shù)是解決這兩個(gè)問題的理想解決方案。目前的同相供電系統(tǒng)存在有源補(bǔ)償裝置容量大、成本高等問題，限制了共相供電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。因此，降低有源補(bǔ)償裝置的容量對(duì)共相供電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文首先總結(jié)了傳統(tǒng)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的主要問題及同相供電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀?？偨Y(jié)了同相供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。針對(duì)僅使用有源補(bǔ)償裝置時(shí)有源補(bǔ)償容量較大的問題，結(jié)合有源補(bǔ)償和無(wú)源補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，提出一種基于混合補(bǔ)償?shù)耐喙╇娤到y(tǒng)。通過增加無(wú)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(tǒng)可靠性。

關(guān)鍵詞：共相供電系統(tǒng);電能質(zhì)量;電相分離;混合補(bǔ)償

簡(jiǎn)介：本文首先總結(jié)了傳統(tǒng)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的主要問題及同相供電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀?？偨Y(jié)了同相供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。接下來(lái)結(jié)合有源補(bǔ)償和無(wú)源補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，提出一種基于混合補(bǔ)償?shù)耐喙╇娤到y(tǒng)。

第一章

背景和研究的意義

牽引供電系統(tǒng)作為電氣化鐵路的核心組成部分，對(duì)保證鐵路安全高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要作用。單相交流牽引供電系統(tǒng)具有供電容量大、建設(shè)成本低、牽引負(fù)荷容量大等特點(diǎn)，將在電網(wǎng)中引入。負(fù)序、諧波、無(wú)功等電能質(zhì)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(shè)置的電氣隔相裝置。電相分離的存在會(huì)引起列車牽引、速度損失等一系列問題。可見，電能質(zhì)量和電相分離是牽引供電系統(tǒng)亟待解決的兩大問題。

1.1國(guó)外研究

共相供電技術(shù)在有效解決上述問題的同時(shí)，成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。針對(duì)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的一系列問題，國(guó)外學(xué)者做了大量研究。日本EFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)H橋級(jí)聯(lián)多交流-直流-交流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其直接與饋電系統(tǒng)相連，保持電壓和電源供應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，不需要Scott連接變壓器，供電可靠性高。[1]

1.2國(guó)內(nèi)研究

針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的牽引供電方式，西南交通大學(xué)李群展教授首先提出了我國(guó)相牽引供電系統(tǒng)改造中存在的差異，建設(shè)相牽引供電系統(tǒng)，從根本上解決了電氣化鐵路存在的問題電能質(zhì)量和電力均等劃分問題，為我國(guó)高速鐵路的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2010年，李群詹教授團(tuán)隊(duì)研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)同相供電裝置已在成昆線路眉山牽引變電站投入運(yùn)行。諧波、無(wú)功、負(fù)序等電能質(zhì)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(wěn)定、安全、可靠，為我國(guó)電氣化鐵路的發(fā)展翻開了新的篇章，被譽(yù)為電氣化鐵路領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新[2]。2014年，全球首臺(tái)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(chǎn)。與眉山牽引變電站的共相供電系統(tǒng)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(fù)序效應(yīng)，提高牽引變電站的供電質(zhì)量和設(shè)備的容量利用率。[3]

第二章

基于混合補(bǔ)償?shù)耐喙╇娤到y(tǒng)

由于無(wú)源補(bǔ)償裝置動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力差，單次補(bǔ)償具有很大的局限性。主動(dòng)補(bǔ)償裝置雖然動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，補(bǔ)償效果顯著，但高昂的價(jià)格限制了它的廣泛應(yīng)用。目前在治理電能質(zhì)量方面，最常用的混合補(bǔ)償方式是主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的補(bǔ)償方式，通過無(wú)源補(bǔ)償裝置來(lái)降低這種補(bǔ)償方式。低有源補(bǔ)償裝置的容量促進(jìn)了其在電能質(zhì)量控制和同相供電領(lǐng)域的推廣和發(fā)展。西南交通大學(xué)李群展教授團(tuán)隊(duì)首次提出了一種混合被動(dòng)對(duì)稱補(bǔ)償和主動(dòng)補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償方案。澳門大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過改變鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償器（RPC）結(jié)構(gòu)，提出了混合補(bǔ)償器（HPQC），混合補(bǔ)償裝置有效降低了有源補(bǔ)償能力。

2.1基于V/V牽引變壓器的混合補(bǔ)償共相供電系統(tǒng)。

基于V/V牽引變壓器的混合補(bǔ)償共相供電系統(tǒng).系統(tǒng)由V/V牽引變壓器、單相降壓變壓器、無(wú)源補(bǔ)償裝置和有源補(bǔ)償裝置組成，其中無(wú)源補(bǔ)償裝置（電容器或電抗器）連接兩個(gè)非拉負(fù)載口，對(duì)負(fù)序補(bǔ)償裝置和有源補(bǔ)償裝置組成。連接兩個(gè)變壓器繞組端口，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)繞組之間的有功功率，實(shí)現(xiàn)負(fù)序動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)牽引負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功功率和諧波進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的全面管理。V/V牽引變壓器的三個(gè)輸出相位的牽引負(fù)載可以在端口上使用，從而產(chǎn)生負(fù)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(tǒng)

基于V/V牽引變壓器，系統(tǒng)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(bǔ)償裝置組成，L和LC分支具有平波和無(wú)功補(bǔ)償功能，通過背靠背變流器的有源補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)繞組之間的功率融合，為牽引負(fù)載和兩端提供相同的有功功率。補(bǔ)償適當(dāng)?shù)臒o(wú)功功率、無(wú)功功率、負(fù)序和諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)三相系統(tǒng)平衡。HPQC兩端連接到變壓器次級(jí)繞組的兩端，LC和L用于補(bǔ)償部分無(wú)功功率，以減少有功補(bǔ)償。補(bǔ)償設(shè)備容量的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志強(qiáng)。電子變頻器在新干線鐵路站場(chǎng)電源中的應(yīng)用[j]。2014年國(guó)際電力電子大會(huì)（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(shù)學(xué)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(tǒng)的混合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器[J].IET電力電子。2012，5（7）：1084-1094.

作者簡(jiǎn)介：趙旭，性別：男，籍貫：河北省任丘市，民族：漢族，學(xué)歷：本科，就讀于石家莊鐵道大學(xué)。