电气化铁路牵引供电系统研究现状及关键性技术

周京华，祝天岳，曾鹏，章小卫，蓝志茂

（1.北方工业大学北京市变频技术工程技术研究中心，北京 100144；2.北京先行电气有限公司，北京 100045）

电气化铁路牵引供电系统研究现状及关键性技术

周京华1，祝天岳1，曾鹏1，章小卫1，蓝志茂2

（1.北方工业大学北京市变频技术工程技术研究中心，北京 100144；2.北京先行电气有限公司，北京 100045）

伴随着社会发展需求，电气化铁路在国民经济中所占比重越来越大，促进了经济的发展，但给公共电网带来的谐波、无功和负序电流问题也日益凸显。围绕着上述问题，国内外开展了很多研究。针对国内外相关研究和所取得的成果，阐述目前电气化铁路牵引供电系统存在的问题及各种解决方案，对各种解决方案的优势和不足进行归纳总结，并进行了分类，提出无牵引变压器新型同相供电系统的实现思路及关键控制技术，为同相供电的理论研究和实际应用提供参考。

电气化铁路；牵引供电系统；无牵引变压器；同相供电；关键控制技术

1 引言

自从1961年8月15日，我国第一条电气化铁路在新建的宝成线宝鸡至凤州段正式通车，我国正式开始了电气化铁路的时代。“十二五”末，以高速铁路为主骨架的快速铁路网将达到4.5万km，中国西部地区铁路将达5万km左右。铁路关系着国计民生，建设好的铁路供电系统极其重要。电气化铁路牵引供电系统的地位和作用决定了它一方面要满足电力机车牵引性能的要求，另一方面还要满足电力系统的要求，并且不能对公共电网造成不利影响。但是由于电气化铁路供电的特殊性，使得我们不得不面对这样一些问题［1］。

1）牵引供电网接入三相公共电网，而电力机车却是单相交流负载，这将在电力系统中引起负序电流。负序电流会造成变压器的附加发热，降低变压器的容量利用率；降低电网中的电能质量；额外增加输电线路上的损失；电网中的其它电力设备的正常运行都会受到影响。

2）不控整流型机车是牵引供电系统的一个主要谐波源。虽然以CRH动车组为代表的交-直-交型电力机车在不断推广，但在一段时间内，多种车型共存的情况不会改变，所以谐波问题仍困扰着牵引供电系统。谐波增加电网中元件的附加损害；影响电气设备的正常工作；会对沿线通讯造成不良影响；谐波会造成继电器误动作，增加安全隐患；使得处于电网中的仪器仪表的测量不准确，造成控制上失误。

3）由于交-直-交型电力机车的推广，机车的功率因数较以前有了很大提高，但仍存在新旧机车共存的现象，会从电网吸收大量无功，功率因数仍有待改善。由于牵引网和牵引变压器的影响，在牵引变压器一次侧的功率因数会进一步降低。功率因数的降低会增加输电网络中的电能损失，降低发电机组的输出能力和输变电设备的供电能力。

本文阐述了牵引供电网存在的无功、负序和谐波问题以及目前的供电方案，并对各种供电方案进行对比分析，重点对同相供电系统进行了阐述。同时，结合现代电力电子技术的发展现状，提出无牵引变压器新型同相供电系统的实现思路和关键性技术，为进一步拓展同相供电系统的研究和工业应用提供参考。

2 传统解决方案

2.1 相序轮换的供电技术

为了缓解单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流问题，我国的牵引供电系统普遍采用相序轮换供电技术，即使牵引变电所牵引变压器的一次侧各端子轮换接入电力系统中不同的相。图1以单相联结为例，对相序轮换进行说明。

图1 采用相序轮换的单相联结牵引变电所Fig.1 Single phase traction substation connected by phase sequence rotation

在图1中，1#~6#牵引变电站采用依次换接相序方式。1#和4#均接入A，C相，但相序相反。2#与5#，3#与6#同理。每6个牵引变电站形成一个完整的相序循环［3］。

采用完整的相序轮换并合理安排供电段的车辆运行，会大大减少注入电力系统的负序电流。而在实际电气化铁路中，由于各区段的牵引负荷不能做到电流和功率因数相同，甚至会出现仅有单臂供电的现象，所以采用相序轮换的供电方案只能缓解但不能从根本上解决牵引供电系统的负序电流问题。同时，相序轮换的供电方式需增加电分相环节（见图1）。电分相环节的存在会使得机车在通过电分相过程中必须在某个供电区段的末端，经过退网、断电等一系列的复杂操作，不仅增加了机车的操作难度，也制约了机车的运行速度和牵引力的提升［4］。

国内外针对机车过分相问题开展了大量研究［5］，主要是针对自动过分相，在取消电分相问题上并没有取得突破性的进展。

2.2 无功补偿技术

在牵引变电所牵引网侧装设电容器，对机车负荷产生的无功功率进行补偿，提高电网利用率，是经济效益良好且行之有效的补偿措施。

无功补偿容量是按照变电所的平均负荷来计算的。但是由于机车的感性无功是一个随机变化的值，固定电容器补偿系统会造成牵引变电所经常欠补偿或过补偿，达不到国家规定的功率因数要求，所以需要装设能够跟随系统的动态无功补偿装置，其中得到广泛应用的是静止无功补偿器（static var compensator，SVC）［6-7］。

一般意义上，SVC是几种装置的组合：固定电容器（fixed capacitor，FC）、晶闸管投切电容器（thyristor switched capacitor，TSC）、晶闸管控制电抗器（thyristor controlled reactor，TCR）、可控电抗器（controlled reactor，CR）。文献［6］介绍了应用在牵引变电所的FC和TSC相结合的无功补偿方案。在现有固定补偿基础上，用可调补偿来配合，能够有效地提高功率因数，并且二次投入较少。文献［7］介绍了TCR+FC型SVC，通过计算各臂所需无功来控制流经电抗器的电流，配合3，5次谐波滤波电路达到无功补偿和滤波的目的。文献［8］介绍了可控电抗器在高压系统中的应用。

无功补偿方案结构简单、控制方便，可以单相独立控制，在完成无功的补偿之外，还能缓解负载的不平衡。同时由于使用的是普通晶闸管，造价也较低。但是仍有不足之处：补偿装置自身会带来谐波，需要设计滤波电路来抑制谐波；系统的动态响应速度低，不能完全适应动态变化的机车负载；在含有电容器的补偿装置中，由于电容器对谐波电流的放大作用，使得流经电容器的有效电流增大，给安全运行带来隐患。

2.3 有源补偿技术

为了提升调节速度、拓宽运行范围，随着电力电子器件的发展，有源电力滤波器（active power filter，APF）与静止型无功发生器（static var generator，SVG）得到了大量的研究和应用。对于牵引供电网这种大容量的谐波源和无功源，单纯靠APF或SVG进行消除谐波或者无功补偿，成本过高。在文献［9］中介绍了并联混合型APF在牵引供电系统中的应用，系统结构如图2所示，其中TSF（thyristor switched filter，TSF）为晶闸管投切滤波器。

图2 混合型APF系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of hybrid APF

图2中，APF通过耦合变压器与TSF串联接入公共点（point of common coupling，PCC）处。其中TSF实现无功补偿并消除3，5次谐波，APF消除电网阻抗和TSF参数变化对TSF滤波性能的影响，同时抑制电网和TSF间可能产生的谐振。这套方案的APF所需容量较小、成本较低。

文献［10］提出了SVG与APF相结合的牵引供电网综合补偿系统。SVG动态补偿无功电流并抑制负序电流，再由APF和无源滤波器组成的混合滤波器进行谐波消除，从而实现对电气化铁路电能质量的综合治理。

有源补偿方案具有调节速度快、运行范围宽等优点，但对于大容量的牵引供电网，完全补偿时成本过高。

3 同相供电系统方案

解决目前电气化铁路问题的理想方案是采用同相供电方式。同相供电系统是指铁路线路上不同牵引变电所供电的区段接触网电压及相位相同、线路上无电分相环节的牵引供电方式［11］。基于同相供电这一概念，许多文献提出了不同的牵引供电解决方案。

3.1 电力电子平衡变换装置结合牵引变压器的同相供电系统

铁路上常见的牵引变压器联结方式有：单相联结、单相与三相Vv型联结、三相YNd11型联结、斯科特联结、阻抗平衡变压器和改进型非阻抗平衡变压器等。

文献［12］分析了基于电力电子变换的平衡变换装置，结构如图3所示。

图3 平衡变换装置结构示意图Fig.3 Structure schematic diagram of balancing device

在图3中，为了实现低压到牵引网高压的转换与隔离，引入升降压变压器。在使用图3中的平衡变换装置时，文献［12］给出

式中：iα，iβ为变压器二次侧两相电流；ipα，ipβ为平衡变换装置的期望补偿电流；iL为机车负载电流。

通过式（1）可以得到补偿负序所需电流，并通过检测谐波和无功电流，综合得到所需补偿电流，以此来控制功率开关器件，从而形成对电气化铁路电能质量的综合治理。

基于图3所示的平衡变换装置结合不同的牵引变压器的同相供电系统得到了广泛的研究。

文献［13］分析了Yd11型牵引变压器的电气化特性。基于Yd11型牵引变压器的同相供电系统如图4所示。

图4 Yd11牵引变压器连线示意图Fig.4 Connection diagram of Yd11 traction transformer

在图4中，若使牵引变压器一次侧三相电流平衡，要保证：i′α与i′β之间的夹角θ=60°，且补偿后的电流幅值相等。

文献［13］得到所需补偿电流iαr，iβr为

式中：Iαp，Iαq，Iβp，Iβq分别为α，β相负载电流iα，iβ对应基波电流的有功部分和无功部分；iαh，iβh为α，β相的谐波电流总和。

根据式（2）、式（3）得到的补偿指令电流进行控制，实现对电气化铁路电能质量的综合治理。

文献［14］提出基于Vv型牵引变压器的同相牵引供电系统，结构如图5所示。

图5 基于Vv型牵引变压器的同相供电系统Fig.5 Co-phase power supply system based on Vv traction transformer

在图5中，要实现牵引变压器一次侧三相电流平衡，需满足：平衡装置的α相需要输出负载电流iL有功部分的1/3，并补偿负载的无功和谐波电流；β相需要提供负载电流iL有功部分的1/3。

文献［14］给出指令电流为

式中：icαr，icβr为平衡装置的输出指令电流；I1p为输出负载电流iL的基波电流中有功电流幅值。

根据式（4）生成的补偿电流进行补偿，从而实现电力系统三相电压对称。

文献［15］提出基于YNvd型变压器的同相供电系统，结构如图6所示。

图6 基于YNvd型牵引变压器的同相供电系统Fig.6 Co-phase power supply system based on YNvd traction transformer

在图6中，YNvd型变压器一次侧正序、负序和零序电流与二次侧电流关系为

式中：Isr为平衡补偿装置给定电流的有效值；isαr，isβr分别为平衡补偿装置α和β相的给定电流值。

根据式（6），平衡补偿装置的α相需要输出负载电流iL基波部分的有功电流I1p的一半，并需补偿负载的无功电流和谐波电流。同时β相则需要输入与负载一半有功功率相对应的电流。在回馈时，平衡补偿装置也会向电力系统传送一半的有功功率。式（7）给出了给定电流的表达式。

为了实现装置扩容，在目前高压、大容量系统中，级联型多电平变换器是6 kV及以上电压等级采用的主要拓扑，其结构是采用若干个具有独立直流电源的功率单元以级联的方式实现直接高压输出，若要实现能量回馈，功率单元前端需采用单相或三相PWM整流器［16-17］。

文献［18］提出了两种基于多电平技术的统一电能质量控制器（railway unified power quality controller，RUPQC），结构如图7所示。

图7 两种基于多电平技术的统一电能质量控制器的拓扑结构Fig.7 Topological structure of two railway unified power quality controller based on multilevel technology

图7a所示拓扑的两相结构完全对称，由于直流侧采用串联结构，在传递相同的功率时，其直流侧电流仅为采用全并联结构的1/n，其中n为链节数。图7b所示拓扑结构仅有一侧使用多绕组变压器，另一侧将链节串联，连接电抗器后直接接入电网，与图7a不同的是直流侧采用全并联结构，该拓扑在省略了一次侧变压器的情况下，保证了两端口的隔离，降低了成本。以上两种拓扑的两端分别接在牵引变压器的两臂上，通过调节两臂的负载电流平衡，达到同相供电的目的，并能实现对电流进行多目标控制，实现负序、无功和谐波的综合治理，也是属于电力电子平衡变换装置的一种。

基于电力电子平衡变换装置的同相供电解决方案保留了原有牵引变压器，降低了改造成本，提高了系统性能，虽然可以实现对牵引供电网存在的负序、无功和谐波问题的综合治理，但这是一种被动补偿方式，27.5 kV的接触网电压仍由牵引变压器提供，难以主动控制，在并联供电中会涉及到牵引变压器二次侧直接并联形成的环流问题，不能彻底取消电分相，无法真正意义上实现贯通式并联同相供电。

3.2 无牵引变压器新型同相供电系统

针对电气化铁路牵引供电系统高压、大功率的特点及对公共电网造成的影响，一个可行的解决方案就是采用多电平技术，实现高压、大功率的直接变换以及对公共电网电能质量的主动综合治理。文献［19-20］提出了一种无牵引变压器的级联型能量回馈多电平新型同相供电装置，拓扑如图8所示。

图8 新型同相供电系统拓扑结构Fig.8 The topological structure of the new type co-phase power supply device

在图8中，该结构针对电气化铁路供电三相输入、单相输出的特点，切分变压器一次侧绕组连接110 kV三相公共电网，二次侧绕组的每一相电压被切分为若干个独立的低电压，这些独立电压分别经单相H-H结构的功率单元，通过串联叠加形成单相交流输出电压。实际单元个数可根据系统电压、功率等级确定。该拓扑可以保证各功率单元的功率平衡分配，对应至切分变压器一次侧，则可以保证电力系统三相平衡。同时，为了降低该拓扑的成本及体积，功率单元中单相PWM整流器的输入电抗器利用切分变压器的二次侧漏抗代替。PWM整流器可实现输入电流的单位功率因数控制，直流母线电容可有效隔离负载无功及谐波电流，级联型逆变器采用载波移相技术实现高质量的单相交流供电电压输出［21］。

该拓扑完全以电力电子变换的方式，取代传统的牵引变压器或牵引变压器为主电力电子变换装置为辅的供电方式，主动解决牵引供电系统中的电能质量问题。

4 新型同相供电系统的关键技术

4.1 功率单元扰动量全前馈控制策略

由于机车负载变化频繁，呈现出阻性、感性、容性、非线性等不同负载特性。在启动、制动过程中，从电网吸收能量及回馈能量变化剧烈。图8所示无牵引变压器同相供电拓扑中的功率单元采用单相H-H桥结构，一侧与切分变压器二次侧连接，一侧与其他单元级联，为单相接触网提供电压，机车负载的瞬时能量变化控制均由各个功率单元承担。影响功率单元输入电流质量和动态响应性能的3个主要扰动因素为：切分变压器二次侧电压、功率单元负载电流、功率单元直流母线电压。切分变压器二次侧电压波动及畸变对并网逆变器的波形质量会产生较大的影响［22］；负载电流突变对系统动态响应能力要求较高；直流母线电压的低频波动也会在输入电流中产生低次谐波。为了消除扰动量的影响，文献［23-24］采用负载电流前馈来提高H-H这种结构的动态响应性能，但并没有给出前馈系数的理论推导，比较简单。文献［25］分析指出，电网电压谐波导致电流畸变的原因是由于传统控制器无法实现对谐波分量的无静差跟踪，因此提出在控制器中加入比例多重复数积分控制器，对特定次谐波产生的电流畸变有抑制效果，但该方式需根据电压中的谐波次数加入不同频率的控制器，实现复杂，不利于实际应用。

为了完全抑制电网电压、负载突变、直流母线电压波动对单相H-H功率单元的动、静态性能的影响，全面提高系统动态响应性能，适应机车负荷频繁、剧烈的变化，进一步提高输入电流波形质量，需要对功率单元的扰动量全前馈控制策略进行研究。

4.2 多台无牵引变压器同相供电装置的并联控制策略

要想实现贯通型同相供电系统，必须要取消电分相环节。基于电力电子变换的同相供电系统必然面临逆变器并联环流问题。环流过大会降低整个并联系统的效率和可靠性。

目前，逆变器的并联控制方法可分为：集中式控制法、主从式控制法、分布式控制法和无互联线控制法。文献［26］给出了逆变器并联的集中式控制策略，文献［27］中建立了基于参考电压调节的主从控制系统，这两种并联控制方法较为成熟，具有良好的均流效果和动态性能，但过分依赖系统中的某一模块。单个模块的故障会导致系统的瘫痪，且模块间交换的模拟信号易受到干扰，从而影响控制的精度和准确性。文献［28］给出了通过CAN总线交换有功功率和无功功率等参数的分布式控制法，这种基于功率平均控制的分布式控制法可以避免模拟信号交换中的干扰，增加逆变器的分布距离，但是以牺牲一部分动态性能为代价，且无法取消互联线。文献［29］采用功率下垂的方法，文献［30］给出了一种通过调节虚拟电阻大小进行抑制环流的方法。这类分布式的逆变器并联控制方案，取消了互联线，使得各模块之间相互独立，能够实现冗余控制，提高系统的可靠性。

在同相供电系统中，逆变侧并联控制的特殊性要求为：

1）多台同相供电装置并联的目的是实现就近供电，而非均流；

2）线路距离较长，使得有互联线的逆变器并联几乎变为不可能；

3）牵引供电网电压等级较高，线路阻抗较大，传统并联控制方法在以就近供电为控制目标的牵引供电系统中，会引起较大的线路损耗；

4）复杂的负荷状况又给并联带来能量潮流分配等新的问题。

因此，基于均流的传统并联方法无法直接应用于牵引供电网。

基于电力电子变换和牵引变压器的同相供电系统属于变压器二次侧直接并联，不能彻底取消电分相。为取消电分相环节，采用无牵引变压器的级联型新型同相供电系统，通过电力电子变换技术，实现多台新型同相供电装置的并联，为实现贯通式同相供电提供了可能。因此，对无牵引变压器新型同相供电装置并联控制策略进行研究具有重要的理论价值及现实意义。

4.3 切分变压器一次侧低频纹波消除技术

在新型同相供电装置的输入侧未使用移相变压器，加上低开关频率给调制带来的负面影响，从而导致切分变压器一次侧低频纹波增大，需要研究切分变压器一次侧电流的低频纹波消除技术。

5 结论

由于我国目前的电气化铁路牵引供电系统是以三相接入电网，相序轮换的供电方式仍有一定的负序抑制效果；若对电能质量有更高要求，平衡接线方式可以更好的与单相牵引供电所配合，并配合以无源补偿为主，辅助有源补偿，可以用更小的投资，达到理想的效果。

从长远上看，同相供电可以取消电分相环节，提高机车的安全性、运载力和速度，是电气化铁路的发展方向。基于平衡装置和牵引变压器的同相供电系统可以利用现有牵引变压器，改造成本较低，同时在装置故障时，牵引变压器能继续为电力机车供电。但是这种同相供电方案，属于变压器二次侧直接并联的方式，无法彻底取消电分相环节，不能实现贯通式同相供电。结合全电力电子变换的无牵引变压器多电平新型同相供电系统可以彻底取消电分相环节，控制上更灵活，是贯通性同相供电系统的一个很有前景的研究方向。

同时，应用在牵引供电网的逆变器并联方法是实现贯通式同相供电的关键，值得深入研究。

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修改稿日期：2014-12-28

Research of Electrified Railway Traction Power Supply System Status and Key Technology

ZHOU Jing-hua1，ZHU Tian-yue1，ZENG Peng1，ZHANG Xiao-wei1，LAN Zhi-mao2
（1.Inverter Technology Engineering Research Center of Beijing，North China University of Technology，Beijing100144，China；2.Beijing Leading Electrical Co.，Ltd.，Xicheng District，Beijing100045，China）

Accompanied by social development needs，electrified railway proportion in the national economy is growing.It promotes not only the development of the economy，but also the public grid harmonics，reactive power and negative sequence current problems.Around these problems，a lot of studies carried out at home and abroad.In view of the related research and achievements，explained the existing problems and solutions，summarized and classified the advantages and disadvantages of all kinds of power supply scheme，proposed the idea and the key of the realization of the new co-phase power supply technology without traction transformer，provides reference for the research and application of co-phase power supply.

electrified railway；power supply system of electric traction；no traction transformer；co-phase power supply system；key control technique

TM89

A

北京市自然科学基金资助项目（3142008）

周京华（1974-），男，博士，教授，Email：zjh@ncut.edu.cn

2014-08-27