电气化铁路牵引供电系统研究现状及关键性技术

王典春

摘要：在本文中，对牵引供电系统中存在的一些问题，比如谐波和负序及无功等问题进行了阐述，并针对当前的供电方案进行分析对比，重点阐述了同相供电系统。此外，还结合了当前的电子技术发展现状，提出了新的无牵引变压器新型同相供电系统的思想和关键技术，以期能为同相供电系统的研究和应用提供依据。

关键词：电气化铁路；牵引供电系统；研究现状；关键性技术

前言

随着我国经济的不断发展，电气化铁路在国民经济中发挥出了越来越重要的作用。但是因此也带来了一些新的问题，比如公共电网的负序电流问题和谐波等。针对这些问题，国内外专家都进行了积极的探讨和研究，分析了当前电气化铁路牵引供电系统中存在的问题并提出了解决的策略，并对这些解决策略进行了分类总结，以期能为同相供电问题的研究和应用提供依据。

1.电气化铁路牵引供电系统存在的问题分析

电气化铁路在我国的经济建设中发挥出了重要的作用，它对国计民生意义重大，所以确保铁路供电系统建设也就显得更加重要。对于电气化铁路牵引供电系统来说，它既要满足电力系统的需求，又要确保公共电网的正常使用。因为电气化铁路供电具有其自身的特殊性，所以面临着许多的问题。

（1）将三相公共电网接人到牵引供电网中，由于电力机车是单相的交流负载，这样会造成电力系统的负序电流。负序电流具有较强的破坏性，它可以使得变压器的附件发热，同时还能降低变压器的容量利用率，电网中的电能质量也会因此降低，输电线路会因此遭受不必要的损失，同时还会影响到电网中一些电力设备的正常运行。

（2）在牵引供电系统中，不可控整流型机车是重要的谐波源。虽然交一直一交型电力机车在当前得到了不断的推广，但是多种车型并存的情况在短期内是不会得到改变的，还会继续存在，谐波问题仍然是重要的牵引供电系统问题。谐波的存在影响也很大，它将电网中元件的附加损害增加，同时对电气设备的正常运行也会造成影响，沿线通讯也会受到不良影响，同时还会使继电器出现误动作，增加不必要的安全隐患，电网中的仪器仪表会由此而出现测量不准确的情况，从而出现控制错误。

因为这些存在的问题，很多的国家比如德国除了利用供电电网进行牵引供电网取电，还会建立大量的输电系统和铁路专用电厂，利用15千伏/16赫兹的供电模式。电气化铁路存在的问题因为这些方式可以得到一定程度上的解决，但是与我国当前的国情50Hz等实际情况并不相符，需要采取适合我国国情的能解决我国的当前电气化铁路牵引供电系统的切实有效的措施。

2.同相供电系统方案

（1）同相供电系统采用电力电子平衡变换装置并结合牵引变压器方案。牵引变压器在铁路上常用的联结方式有以下几种：斯科特联结、单相联结、改进型非阻抗平衡变压器、三相YNdll型联结等。电力电子平衡变换的平衡变换装置结构可以如图1所示。

在图中，为了实现牵引网低压到高压的隔离和转换，使用了升降压变压器。图中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较为广泛的关注和研究。基于Ydll型的牵引变压器同相供电系统可以如图2所示：

为了将装置进行扩容，当前的大容量高压系统中级联型多电平变换器大都采用6KV及以上电压等级的拓扑结构，高压输出是通过多个具有独立直流电源的功率单元以级联方式来实现的。如果要实现能量回馈，需要将单相或三相PWM整流器使用在功率单元的前端，

两种拓扑都是在牵引变压器的两臂上接入其两端，通过对两臂的负载电流调节平衡实现同相供电。同时，还能多目标控制电流，可以综合治理谐波、无功和负序。它属于电力电子平衡变换装置。这种以电力电子平衡变换装置为基础的同相供电解决方案能有效对原来的牵引变压器进行保留，使得成本得到有效降低，系统的性能也得到了提高，虽然可以综合治理谐波、无功和负序等问题，但是属于被动的补偿方式，很难进行主动控制，不能将电分相问题彻底解决，从而也就无法实现真正的贯通式并联同相供电。

（2）新型同相供电系统（无牵引变压器）。公共电网会因为电气化铁路牵引供电系统的大功率和高压等特点而受到影响，多电平技术可以解决该问题，它可以有效实现大功率和高压的直接变换，还可以对公共电网的电能质量进行综合的治理。拓扑结构能有效确保各个功率单元的功率分配平衡，同时可以保持电力系统的三相平衡。为了将拓扑的体积和成本降低，可以利用切分变压器的二次侧漏抗来代替各功率单元中的单相PWM整流器输入电抗器，PWM整流器可以控制输入电流的单位功率因数，谐波电流和无功能通过直流母线电容得到隔离，单相交流供电电压通过级联型逆变器得到了有效输出。在该拓扑结构中，使用了电力电子变换方式，将传统的电力电子变换装置作为辅助牵引变压器为主的方式彻底取代了，对牵引供电系统的电能质量问题有着很好地解决。

3.新型同相供电系统的关键技术分析

（1）功率单元扰动量全前馈控制。因为机车的负载容易出现变化，所以会出现感性、阻性和非线性等负载特性。在机车启动和制动的过程中，会从电网吸收能量和回馈能量，因此会出现较为剧烈的能量变化。无牵引变压器同相供电拓扑采用了单相的H-H桥结构，将切分变压器二次侧和其一侧相连接，另一侧与其他单元进行级联，从而提供电源给单相接触网，由各个能量单元来成成机车的瞬时能量负载变化，为了减小扰动量的影响，在H-H结构中会使用负载电流前馈一侧来提高其动态响应性能。为了消除H-H功率单元受到电网电压和直流母线电压波动的动静态影响，将系统的动态响应性能提高，以此来适应机车的频繁变化，所以需要深入研究功率单元的扰动量全前馈控制策略。

（2）多台无牵引变压器同相供电装置的并联控制。要想将同相供电系统实现，需要将电分相环节取消。那么电力电子变换同相供电系统会面临并联环流等问题。整个并联系统的可靠性和效率都会因为这些过大的环流而出现降低的情况，当前的逆变器并联控制可以分为主从式控制法、无互联线控制法和分布式控制法。对于传统的并联方法来说，它是基于均流的。因此不能直接应用于牵引供电网，电力电子变换和牵引变压器同相供电系统对变压器二次侧进行直接的并联，电分相现象并不能得到彻底取消，为了将电分相环节取消，需要使用无牵引的变压器级联型新型同相供电系统，利用电力电子变换技术，并联多台新型的同相供电装置，从而实现贯通式的同相供电。

4.小结

我国当前是将三相接入电气化铁路牵引供电系统中，这种供电方式存在较大的不利影响，电能质量如果需要有更高的要求，就需要采用平衡接线方式，这种方式可以更好地配合单相牵引供电，以无源补偿作为重点，将有源补偿作为辅助，这样可以争取利用最小化的投资取得最大化的利益。以平衡装置和牵引变压器为机车的同相供电系统可以充分利用现有的牵引变压器，不仅没有很高的改造成本，还可以在装置出现故障时继续为电力机车供电。所以，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将电分相环节彻底取消，是同相供电系统的重要研究方向。