单相交流牵引供电系统关键技术现状及发展

周方圆，陈 鹏，吴丽然

(1.株洲中车时代电气股份有限公司，株洲 412001；2.西南交通大学电气工程学院，成都 610031)

电气化铁路运能大、速度快，具有明显经济效益并且仍将是未来铁路发展的重要方向[1]。单相交流牵引供电系统在电气化铁路应用最为广泛，但是其存在电分相、负序、谐波等问题[2]，这些问题制约单相交流牵引供电系统优势发挥。单相交流牵引供电系统针对以上问题采取对应措施，如电分相问题各国采取车载过分相、地面过分相等方式，针对电能质量问题采SVC、RPC等治理措施。同相供电可以综合治理过分相和电能质量问题，国内外都已有工程应用，而适合我国国情的同相供电技术仍在改进和完善[1-3]。

本文对各国单相交流牵引供电系统关键技术现状进行总结的基础上，结合储能和新能源背景描绘单相交流牵引供电系统的发展趋势。

1 各国主要牵引供电制式

电气化铁路大部分采用单相交流牵引供电，但是各国的牵引供电制式有所不同，德国等中、北欧国家受历史影响采用16.7 Hz单相交流供电[3-4]，法国、英国等国家电网电压等级高、短路容量大，采用单相变压器给铁路供电[4]，而日本受某些地区薄弱电网影响采用Scott平衡变压器给铁路供电[5]，我国采用单相工频交流牵引供电方式[6]。各国主要牵引供电制式见表1。

表1 各国主要牵引供电制式一览

2 国内外过分相技术

为使电力系统三相尽量平衡，电气化铁路采用分段换相供电，接触网上两相中间需设置绝缘无电中性区，由此产生电分相。机车过分相过程存在短时断电，给列车带来速度损失和安全隐患，换相过程的过压、过流严重时可能烧毁车载设备[7]。

2.1 车载过分相技术

欧洲许多国家采用单相变压器给铁路供电，省去变电所出口处过分相，且牵引供电系统一般接入高电压等级三相电网，短路容量较大，供电距离长，电分相数量少。这些国家针对过分相问题一般追求简单实用，采用车载自动过分相方式，如英国和德国就采用这种过分相方式[7]。

我国高铁普遍采用车载自动过分相[8]，列车检测地面传感器信号自动“断”、“合”车载主断路器，惰行通过中性区。该方式适应多速度列车要求，但过分相断电时间较长，速度损失严重；需开/闭车载主断，对车载设备存在暂态冲击，需要相关保护。

2.2 柱上开关自动过分相技术

柱上开关自动过分相方式以瑞士为代表，我国原福州铁路分局20世纪90年代采购过2套柱上开关自动过分相装置[7]。该装置通过磁控线包控制真空开关分、合闸操作，缩短电力机车过分相的距离和断电时间，司机可不操纵机车使其惰行过分相。该装置在我国实际应用时需对机车控制系统进行相应改造，且分相区结构复杂，换相过程过压、过流严重。

2.3 地面自动过分相技术

2.3.1 机械开关型

图1 机械开关型过分相(日本)

地面自动过分相以日本为代表，早期切换开关多采用真空断路器(图1)。该过分相方式主要问题在于过分相过程中300 ms左右的断电时间较长，真空断路器控制不够精确，无法控制合闸相位，真空开关开/闭过程中的过压、过流比较严重[9]，且真空断路器的寿命较短，后期维护频繁且维护成本较大。

西安铁路局科研所20世纪90年代研制带有智能选相功能的真空断路器过分相(图2)。实现在主断路器工作情况下转换时间小于(0.13±0.02) s，备用断路器下小于(0.4±0.05) s；该装置后期维护成本较高，但在神朔、宝成等多坡、重载铁路大量采用[10]。

图2 机械开关型过分相(西铁科)

2.3.2 电子开关型(图3)

机械开关型过分相其控制和寿命上存在固有缺点，日本逐渐采用电子开关型过分相代替[9]，采用晶闸管阀组代替真空断路器，晶闸管可控性强、响应快、可靠性高、维护费用低。且断电时间和换相时间都大大缩短，可精确控制开/闭角，可缓解电压、电流暂态冲击。西班牙也采用了该方案，装置采用模块化设计，方便后期更换和维护[11]。国内学者对电子开关型过分相展开过研究，也在开展电子开关型过分相的工程化应用。

图3 电子开关型过分相

2.3.3 柔性过分相技术

尽管电子开关相比于机械开关过分相性能改进很大，对开/闭相位的控制、抑制暂态冲击等很有帮助，但是列车仍有很短暂的断电时间，无法实现完全不断电过分相。日本铁路研究机构提出基于过分相供电系统(Changeover Section Power System， CSPS)的地面自动过分相装置[12]。

该装置主要包括3种控制：电压调幅和移相控制，负载传输控制，输出限制控制。列车在过分相过程中，CSPS装置通过3种控制实现列车平滑不断电通过电分相[12]。如图4所示。

图4 不断电过分相

国内学者也对不断电过分相(柔性过分相)进行了研究并提出相关方案[13]，目前我国中船重工712所和中车株洲所都在开展柔性过分相工程化应用。柔性过分相需要配套安装隔离变压器和大容量的电力电子装置，成本相对来说较高。

3 电能质量治理

制约单相交流牵引供电系统发展的除了电分相问题，还有电能质量问题，其不但影响电气化铁路的安全、高效运行，同时也是电力部门和铁路部门关注焦点所在，如铁路部门因为功率因数问题每年被电力部门罚款，增加了铁路的运营成本。

主要介绍SVC、RPC、STATCOM 3种常用电能质量治理方式，同相供电将在下文介绍。各国铁路受牵引供电制式和地区电网特点影响，采取侧重点不同的治理方式。

3.1 静止无功补偿器(SVC)

欧洲铁路一般采用单相变压器供电，系统侧连接大容量电网以缓解铁路电能质量问题对电力系统的影响[4]。单相变压器负序问题比较严重，欧洲通常采用基于Steinmets法[14]的SVC方案进行补偿。如图5所示。

图5 SVC的Steinmets法补偿

1987年，澳大利亚昆士兰铁路的三相132 kV电网侧安装9套SVC装置用来治理负序问题和动态负载平衡，总安装容量达到600 MVA，是世界上铁路SVC安装容量最大的一处工程。

SVC在我国各铁路局应用广泛，主要安装于牵引供电臂末端补偿线路无功损失，提高功率因数。随着交直交机车逐渐取代交直机车，功率因数提高，SVC在铁路的应用逐渐饱和，部分使用交直机车的西部铁路和无功补偿改造项目仍有此需求。

3.2 静止无功同步补偿器(STATCOM)

当补偿接入点的电压发生变化的时候，SVC的补偿效果并不理想，STATCOM可弥补这一缺点，响应时间达20 ms，速度更快。日本将STATCOM安装于三相电网侧用于于消除负序分量(图6)，从1993年，在东海道新干线安装了5套34/60MVA的STATCOM用于无功和负序补偿、低次谐波治理、抑制电压波动[15]。

图6 三相电网侧的STATCOM

STATCOM占用空间小，受端电压影响小，但是成本较之于SVC高出许多，控制方式上也比SVC复杂，目前在我国铁路应用较少，未来随着功率器件成本下降，STATCOM在铁路无功和负序补偿方面将有不错前景[16]。

3.3 铁路功率调节器(RPC)

平衡变压器在日本使用最广泛，日本普遍使用Scott平衡变压器，这与日本铁路行车密度高有一定关系。为了发挥Scott平衡变压器效果，日本在Scott变压器两臂之间安装铁路功率调节器RPC(图7)，补偿两臂的全部无功，以及在两臂间传输有功，实现两臂有功平衡[17]。日本铁路先后有2套20 MVA RPC(东北新干线)和6套20/60 MVA RPC(东海道新干线)投运，投运后系统侧负序指标明显改善[9，17]。

图7 RPC结构

我国首套RPC装置于2015年在常德石门牵引变电所成功投运，显著提高了该变电所的功率因数，系统侧三相不平衡度大大降低，电压波动和谐波电压畸变率明显改善，同时提高变压器的设备利用率。

4 同相供电技术

单相交流牵引供电系统采用同相供电技术可综合治理过分相问题和电能质量问题[18]。

4.1 国外同相供电现状

欧洲最早开展铁路变频供电的研究应用，早期采用旋转变频机组，现普遍采用大功率频率变换器SFC。其SFC主要有两种结构：一种是NPC级联交直交拓扑，模块并联以提高冗余度，实现牵引网和三相电网完全解耦；另一种是MMC直接变换型拓扑，输出直接与接触网相连，省却输出变压器。

日本东海道新干线某些变电所采用EFC将50 Hz三相电变换为60 Hz单相给铁路供电。2003年以来，先后有3套60 MVA EFC安装运行，EFC具有实现同相供电能力[19]。

国外同相供电发展起步早，投入运行的工程安装容量较大，成本高。德国、澳大利亚和日本的同相供电工程实际运行效果表明，同相供电不仅解决过分相问题和电能质量问题，还实现牵引网和电网解耦，其贯通式同相供电很值得我国借鉴和学习。

4.2 国内同相供电现状

我国学者和研究单位一直致力于同相供电研究[1，2，18，20]，第一套同相供电装置2010年在眉山牵引变电所投入运行，其结构如图8所示。

该系统的主要功能有：取消变电所出口电分相，兼顾谐波和无功补偿，补偿负序，降低原边三相不平衡度。该装置经过现场验证，运行稳定，安全可靠，2011年通过科技部组织专家鉴定验收[2]。

图8 眉山同相供电装置结构

眉山同相供电装置获得成功后，2014年，世界首套“单三相组合式同相供电装置”在山西中南重载铁路投运，标志着我国同相供电技术及装备开始进入工程化应用。组合式同相供电采用负序满意补偿，补偿容量最小化，变压器容量利用率最大化，变流器冗余备用可在线切换，提高系统供电可靠性。见图9。

图9 组合式同相供电结构

我国的同相供电以牵引变压器为主，电力电子补偿装置为辅，降低了电力电子装置安装容量，具有成本优势，且变流器故障情况下可切换至牵引变压器供电，虽然电能质量下降，但是短时恢复列车供电，不影响列车运行[20]。

5 “绿色”牵引供电系统技术

未来随着电力电子技术进步，制约单相交流牵引供电系统发展的电分相和电能质量问题将得到很好解决。我国乃至世界新能源发展迅速，铁路作为电能消耗大户也应响应这一潮流，提高新能源在铁路供电中的占比，不仅包括动力用电，还应包括牵引供电。德国等欧洲国家相继提出提高铁路新能源用电占比，德国提出到2050年，德国铁路将100%采用新能源供电，实现电气化铁路零碳排放。

电气化铁路再生制动能量利用率低，降低电气化铁路碳排放需将再生制动能量利用和新能源结合。储能系统对单相交流牵引供电系统削峰填谷，将列车制动能量存储用于列车加速情况下使用，可降低牵引供电系统安装容量。

由于牵引负荷冲击大，给新能源接入稳定性带来困难，储能系统可以分担牵引负荷给新能源带来的冲击；目前新能源用于牵引供电的技术还不成熟，未来随着虚拟同步机技术[21]取得重大突破，新能源并网稳定性将大大提高，实现图10的“绿色”牵引供电系统将成为可能。

图10 “绿色”牵引供电系统技术

6 结论

本文对国内外单相交流牵引供电系统的部分关键技术现状进行了总结，单相交流牵引供电系统经过历史检验已显示其优越性，限制其优势发挥的过分相和电能质量问题已通过相关关键技术得到治理。单相交流牵引供电系统未来必须顺应节能减排的趋势，以继续推动电气化铁路发展，“绿色”牵引供电系统为未来电气化铁路单相牵引供电系统的发展提供了新思路。