同相供电技术在电气化铁路中的应用

李 翔

（1.南瑞集团有限公司，江苏南京210000；2.国网电力科学研究院有限公司，江苏南京210000）

0 引言

我国电气化铁路逐渐走上了高速发展的道路，无论是列车制造技术、载重能力，还是行驶速度，均已走在世界前列。我国铁路电气化里程超过8万km，稳居世界首位，在技术水平和建设质量上也达到世界领先水平。在电气化铁路朝高速、重载方向发展的趋势下，作为其核心技术的电气化牵引供电系统，成为影响电气化铁路未来发展的重要因素。

目前，国内铁路牵引供电系统除少数试点外，均采用单相工频交流供电的模式[1]，其结构如图1所示。牵引变电所将网侧110 kV三相电压经过牵引变压器转换为两相，分别对两侧供电区段供电。

图1 单相工频交流供电制式结构示意图

随着电气化铁路朝高速、重载方向发展，上述供电制式存在的问题越来越突出，主要表现在以下两个方面：

（1）负序问题。

牵引负荷通常具有单相大功率、非线性、随机性和波动性等特点，致使电气化铁路存在以负序为主的电能质量问题[2]。在单相工频交流供电制式下，常采用轮换相序的方法来缓减负序问题，但收效甚微。这就导致大量的负序电流注入电力系统，引起三相电压严重不平衡，给电力系统一次设备和二次设备的正常运行带来很大的影响。此外，无功和谐波也是造成电能质量问题的主要因素。

（2）电分相问题。

如图1所示，由于牵引变压器分出的两相电压相位不同，因此必须在变电所出口处设置绝缘电分相；同时，分区所两侧的电压相位也往往不同，又需要设置分区所绝缘电分相。因此，机车过电分相时需要收起受电弓，断开与接触网的联系。而这种类似于带电分闸的操作，对接触网与受电弓而言均存在不小的安全隐患。更重要的是，过分相期间机车因失去电力牵引而速度下降，是制约高速电气化铁路发展的主要因素之一。在不改变供电模式的情况下，有学者提出了自动过分相技术，采用加装断路器的方法解除过分相时因电气暂态过程带来的安全隐患。这项技术虽然在一定程度上缓解了电分相问题[3]，但是在机车行驶过程中依然存在失电时段，没有从根本上消除电分相问题对电气化铁路发展的制约。

1 同相供电技术

采用同相供电技术，能够从根本上解决以负序为主的电能质量问题和电分相问题。同相供电技术主要通过对牵引供电系统的改造，牵引变压器原边不再轮换，变电所单相供电，能够使电气化铁路各供电区段具有相同的电压相位，继而从根本上去除电分相；通过同相供电装置实现三相/单相的对称变换，解决了电能质量问题。随着电力电子技术的快速发展，现在的同相供电技术可通过实时检测系统的综合补偿电流，控制潮流控制器，达到平衡三相、滤除无功电流的目的，同相供电系统结构如图2所示。

同相供电装置由常规牵引变压器和同相补偿装置组成，同相补偿装置应用现代电力电子技术和微处理器控制技术进行补偿，消除系统的三相不平衡，实现牵引系统的单边或者双边贯通式供电。与原有的异相供电制式相比，同相供电制式主要具有以下技术优势：

（1）解决电能质量问题。同相补偿装置通常为一个潮流控制器，两端分别连接牵引变压器的α相和β相，由α相承担主要的供电任务，由β相承担负序、谐波和无功补偿以及次要供电任务，从而在同相供电装置容量允许的范围内，消除电力系统的三相不平衡，同时滤除无功和谐波。

（2）消除电分相。由牵引变压器分出的两相只采用α相直接对牵引负荷供电，取消了变电所出口处电分相装置。同时，为预防电力系统经由多个变电所构成回路，用分段绝缘装置替代原有的分区所电分相装置。而分段绝缘装置安装距离近，两端没有相位差，机车通过时无需采取措施，不会对行驶速度产生影响，这样就形成了无电分相的同相供电制式。一方面，可避免列车过电分相时因开关切换引起的暂态过电压和过电流等对车载设备和供电设备的不良影响，提高铁路供电系统和列车运行的安全性和可靠性；另一方面，可以实现铁路客运高速化、货运重载化的目标。

（3）实现再生制动。潮流控制器使得牵引变电所在列车制动时，再生电能反馈至电力系统，能有效节约供电资源，节省供电维护费用，改善列车再生电能的利用效果，节能减排效果明显。

（4）提高牵引变压器容量利用率。对于既有线路的同相供电改造，同相供电制式可显著提高牵引变电所的供电能力；对于新建线路，牵引变压器的设计容量与原有异相供电模式相比大幅下降。

2 国内外研究现状

2.1 国外铁路供电发展现状

2.1.1 德国

目前，德国是国际上少有的采用贯通式同相供电模式的国家，其电气化铁路采用自建电网供电，主要包括两种供电方式：集中式和分散式。集中供电方式由铁路专用电厂通过110 kV架空输电网将16.7 Hz电能输送到牵引变电所，经牵引变压器降压后得到15 kV、16.7 Hz的电铁供电制式；分散供电方式借助同步电机实现三相/单相变换，最终的供电制式与集中式相同。这种供电方式，通过三相对称变换消除牵引变电所出口处的电分相，且以缩小牵引变电所之间的距离为代价，消除变电所间电分相，实现全线无分相。

2.1.2 日本

日本电气化牵引变电所接入的电压等级低、系统容量小，新干线普遍采用Scott接线方式实现三相/两相转换。而牵引负荷具有强烈的波动性和随机性，以及早期普遍投运的相控型机车具有低功率因数及显著的谐波特性，导致网侧电能质量问题突出。对此，日本主要采用自主研发的静止功率调节器（Railway Static Power Conditioner，RPC）对负序与无功电流进行补偿，实现牵引变压器网侧三相平衡，同时也具备一定的谐波治理能力。其主电路结构如图3所示[4]，RPC装置两端均采用多绕组变压器，占地面积广，建设成本高，运行损耗大，且无法解决固有的电分相问题。

2.2 国内同相供电技术研究现状

图2 同相供电系统结构示意图

国内的同相供电技术方案由西南交通大学李群湛教授首次提出，同相供电装置从2010年开始陆续投入实际运行之中，先后在成昆铁路眉山牵引变电所、山西中南部铁路通道试验段、京沪高铁以及温州市域铁路S1线取得了满意成效。

图3 RPC主电路结构

2.2.1 基于无源对称补偿的同相供电系统

无源对称补偿技术是通过在牵引变压器各端口处并联电抗器或电容器实现无功补偿，其核心是对负序电流进行补偿，补偿的容量往往需要跟随牵引负荷变化，而单一的电抗器或者电容器一旦安装，补偿容量就无法再变化。无源同相供电装置由于在负荷调节上缺乏灵活性、体积庞大、再生制动困难，随着电力电子元件及其控制技术的发展，已经很少被采用。

2.2.2 基于有源对称补偿的同相供电系统

同相供电技术是解决高速铁路牵引供电系统中电分相、负序问题最理想的方法，形成了多样化的系统解决方案。这项技术的优点在于，同相供电装置能够适应负荷动态变化，在设计容量范围内始终保持满意的补偿，能够同时补偿负序、无功以及谐波电流。不同类型的同相补偿装置，有其各自优势。目前，用于同相供电系统的补偿装置主要有以下几类：

（1）有源滤波器（APF）。由四象限变流器及储能环节组成，主要作用是缓冲基波和谐波的能量，根据电流指令输出相应的电流、电压；根据储能环节不同可分为电压型与电流型，在同相供电装置中采用电容储能器的电压型有源滤波器。其优点在于能够通过调节输出电流使网侧达到三相平衡，同时滤除谐波[5]，但是单一的有源滤波器无法实现能量回馈。

（2）统一电能质量调节器（UPQC）。由串、并联有源滤波器和直流储能单元组成，其中串联有源滤波器靠近电网侧，能够补偿来自网侧的电压跌落，提高负载电压稳定性；并联有源滤波器靠近负载侧，用于抵消负载侧负序、无功与谐波电流[6]。由此可见，UPQC是缓解配电系统电压和电流谐波问题、提高电能质量的最佳解决方案之一，但是由于其本身成本高、结构复杂、控制难度高等因素，在实际工程中还未得到应用。

（3）线间潮流控制器（IPFC）。该控制器的主要组成部分就是一个单相交-直-交变流器，两端分别在电网侧和负载侧进行串联补偿。IPFC不仅具备有源滤波器补偿无功和滤除谐波的功能，还能在牵引变压器不同负荷端口之间进行牵引负荷功率的交换，实现有功功率传输，达到平衡变换[7]。此外，它的结构与控制相对简单，易于实现模块化，适用于高压、大功率场合。IPFC也是当前实际工程应用中效果理想且最具发展前景的电力电子控制器之一。

3 结语

同相供电技术在电气化铁路良好形势下有着巨大的发展前景，尤其在高压直流输电大力发展的背景下，大功率开关器件得到了广泛应用，给同相供电的发展提供了巨大的推力。在当前牵引负荷向着大功率方向发展的形势下，单一的交-直-交同相补偿装置已经不能满足电压等级和容量的要求，需要采用并联、级联、模块化等拓扑结构，以提高补偿装置的耐压水平和容量等级，这也是目前研究和应用的主要方向。同时，结构的复杂性对功率器件的控制和调制策略提出了更高的要求，需要进一步研究高性能的拓扑结构和控制方式来达到良好的运行效果和取得较好的经济效益。