电气化铁路多电平贯通式同相供电装置拓扑与控制

周京华，闫天乐，章小卫，陈亚爱

（北京市变频技术工程技术研究中心（北方工业大学电气与控制工程学院），北京 100144）

我国电气化铁路牵引供电制式为单相工频交流制，一般采用平衡变压器，其一次侧接入三相电网，二次侧两供电臂输出27.5 kV单相交流电压为牵引网供电。随着铁路交-直-交型机车的全面使用，牵引供电系统存在的问题主要为影响电力系统电能质量的负序问题和制约机车运力的电分相问题[1-4]。针对上述问题，常用的解决手段包括：①通过相序轮换策略，将各牵引变电所牵引变压器一次侧轮换接入电力系统不同相，从整体上减小因牵引负荷导致电网侧产生的负序分量[5-6]；②通过各种混合补偿装置或有源补偿器，例如，静止无功发生器、铁路功率调节器等，平衡牵引变压器两臂潮流，治理三相不平衡并提高牵引变压器利用率[7-10]；③通过各种过分相及双边供电等技术，降低列车过分相时引发的速度损失和电压冲击[11-12]。

上述方式只能从某一方面缓解牵引供电系统存在的问题，无法从根本上彻底解决单相牵引供电系统存在的不足。参考德国单相低频交流制的同相供电模式，文献[4]提出了单相工频模式的“理想”同相供电系统，在牵引变电所通过三相交流-直流-单相交流的电力电子变换实现同相供电，牵引网和公共电网之间只交换有功，三相负荷平衡，全线供电电压统一，实现贯通供电，彻底解决负序问题并取消电分相。

为了在当前器件耐压水平和通流能力下，满足牵引网高压大功率的供电需求，对同相供电的研究分为两种技术方法：一种方法采用被动补偿的组合式同相供电，利用匹配变压器将同相补偿装置接入三相电网，通过有功补偿的方式解决负序问题，保证牵引变电所内的供电电压相位一致，但牵引变电所间的分相区仍然存在，限制了列车速度和运载力[13]，无法实现全线贯通；另一种方法则采用交-直-交电力电子变换实现贯通式同相供电，通过钳位式3电平或5电平结构提高交-直-交变换器的耐压等级和容量，但电容电压均衡问题严重，变换器耐压和容量提升有限[14]，仍需工频变压器进行电压匹配。为进一步提高电压和功率等级，省去工频升压变压器，直接形成牵引网电压，级联多电平结构逐渐应用于贯通式同相供电中。

级联多电平结构将低压小功率器件经过模块级联实现高压、大功率直接变换，弥补了器件耐压和容量的不足[15]，对公共电网电能质量主动治理，实现贯通式同相供电，成为当前的研究热点。

本文以多电平同相供电装置为主线，结合最新研究成果，按照图1所示分类，依次阐述不同类型拓扑的特点，并针对性地介绍相应的控制技术；同时归纳总结各类拓扑结构的优势和仍需深入研究的方向，并在可再生能源高比例接入电网的背景下，提出未来电气化铁路与新能源结合的可行架构。

图1 多电平同相供电装置分类Fig.1 Classification of multi-level cophase power supply devices

1 基于工频变压器的单元级联多电平拓扑与控制

含工频变压器的单元级联多电平拓扑通过工频变压器将三相电网电压转化为若干与功率单元相匹配的独立交流低电压，通过功率单元整流、逆变完成三相交流到单相交流的变换，功率单元的单相输出侧通过串联形成牵引网供电电压，直接为牵引网供电。

文献[16]基于三相多绕组变压器，以二极管钳位的交-直-交3电平变换器为功率单元，提出一种输入并联、输出串并联的多电平同相供电装置，其拓扑结构如图2所示。图2中，多绕组变压器一次侧接入电网，二次侧每个绕组接1个功率单元，完成三相整流和单相逆变过程。该装置的输出分为2个串联模组，模组内功率单元串联直接输出27.5 kV的牵引网电压，将2个串联模组并联可提高同相供电装置输出功率以满足牵引负荷的功率需要。

图2 输入并联、输出串并联的同相供电装置结构Fig.2 Structure of cophase power supply device with input parallel and output series-parallel

在控制方式上，功率单元整流侧采用变换器常规的电流解耦控制，实现网侧单位功率因数运行和直流电压的稳定，解决牵引网带来的负序问题，保证逆变侧获得稳定的输入；逆变侧采用双闭环与下垂控制相结合的共享同步信号控制策略，如图3所示。由图3可以看出，考虑到牵引网负载波动性较强，采用电压电流双闭环控制，使装置提供稳定输出；考虑到2个并联模块运行中输出电压幅值相位不可避免的存在差异，形成并联环流，通过下垂控制调节并联模组输出有功无功，校正模组的输出电压，并统一下发同步信号，实现并联模组的频率同步，从而消除并联环流，提高装置供电容量。文献[17]针对电气化铁路供电三相输入、单相输出的特点，将切分变压器一次侧绕组与110 kV三相公共电网连接，二次侧绕组的每一相电压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，串联叠加形成单相交流电压，实现无输出变压器的27.5 kV供电电压直接输出，完成三相-单相的对称变换，从而主动解决牵引供电系统中的电能质量问题，彻底取消电分相环节。采用切分变压器的同相供电系统如图4所示，由图4可以看出，在功率单元整流侧的控制中，电流内环引入直流母线电压全前馈、变压器二次电压全前馈，电压外环引入直流母线电流全前馈，从而改善了同相供电系统功率单元的瞬态响应与单相H桥网侧输入电流的波形质量。逆变侧则通过电压有效值外环，电压瞬时值内环保证输出电压满足牵引网电压稳态和动态的要求[18]。

图3 双闭环与下垂控制相结合的共享同步信号控制Fig.3 Shared synchronization signal control with combination of double closed-loops and droop control

图4 采用切分变压器的同相供电系统Fig.4 Cophase power supply system using split transformer

文献[19]将3个相同的单相多绕组变压器高压侧连接成Y型接入电网，单相变压器的每个二次绕组连接1个H-H功率单元，进行交-直-交变换，每相的功率单元输出串联叠加形成单相27.5 kV供电电压，三相输出并联增加供电容量，以提高牵引变电所的供电距离，其结构如图5所示。为解决实际应用中因信号采集设备过多导致的装置尺寸大、成本高的问题，变压器每相只在二次侧添加1个采集绕组进行电压采样，实现多绕组变压器二次绕组连接的所有PWM整流器电压信号的统一采集，减少因采集设备运行参数不一致给控制带来的问题。

图5 输入采用多重化结构的同相供电装置Fig.5 Cophase power supply device with multi-input structure

在控制方式上，由于机车运行中涉及启动、停车、加速、减速，负荷冲击性很强，会导致整流侧直流电流突变，因此，在直流电压和电源电流双闭环控制中引入直流电流前馈，提高直流电压的动态响应，如图6（a）所示。图6（b）给出了单相逆变器控制框图，由图6（b）可以看出，逆变输出包括电压控制和并联均流控制。电压控制采用有效值瞬时值双闭环控制，该装置输出电压经低通滤波LPF（low⁃pass filter）和有效值计算环节 RMS（root mean square）形成电压双闭环的反馈信号，牵引网电压通过锁相环PLL（phase lock loop）得到电压瞬时值的给定信号，有效值外环用于降低稳态误差，瞬时值内环用于提升电压波形质量和系统动态响应；均流控制将三相输出电流平均值作为给定，通过准比例谐振Q-PR（quasi-proportion resonant）控制器实现环流的消除。

图6 装置整流侧和逆变侧控制框图Fig.6 Control block diagram on rectifier and inverter sides of the device

文献[20]提出一种基于移相变压器的单元级联结构，如图7所示。图7中，2台移相变压器并联接入电网，每台变压器含2个二次绕组，每个绕组连接4个相同的三相不控整流电路，整流输出经过电容与单相H桥逆变相连，共形成16个变换单元。其中，整流侧由于移相变压器的使用，将输入侧谐波降低到24脉波水平[21]，输出侧串联形成27.5 kV牵引网电压。装置逆变侧通过载波移相调制方式，实现较高的等效开关频率，避免电容电压不均衡，保障牵引网的供电质量[22]。由于器件开关频率较低，可以采用GTO等器件代替IGBT来减少开关损耗。为了适应不控整流直流电压不可调不稳定的特点，逆变侧采用电压有效值和瞬时值双闭环控制，有效改善装置中直流电压变化对输出供电电压的影响，实现对牵引网稳定的电压支撑。该拓扑采用了不控整流，电路结构简单、器件成本较低，经济性较为突出，整流侧无需控制简化了装置的复杂度；其不足在于不控整流不具备四象限运行能力，再生制动工况下能量不能反馈到电网。但随着机车行驶密度的增大和牵引网的贯通，回馈的能量大大减少，这种拓扑成本低、控制简单的优势将会更加明显。

图7 采用不控整流电路的同相供电装置Fig.7 Cophase power supply device using uncontrolled rectifier circuit

采用工频变压器供电的多电平同相供电装置在结构和控制上均较为成熟，应用较多，工频变压器的应用使得整个系统可靠性更高，且功率单元一般不存在电容电压均衡的问题，输入侧无需串联，输出侧无需升压变压器直接形成牵引网供电电压。装置的不足在于多绕组变压器、切分变压器、移相变压器结构复杂和制造成本高，以及工频变压器固有的占地面积大、效率低等问题。

2 基于中（高）频变压器的单元级联多电平拓扑与控制

为了解决工频变压器体积大、质量重的缺点，可通过DC/DC变换将中（高）频变压器引入同相供电装置，代替工频变压器并起隔离的作用，实现电压和功率的灵活控制，提高电能质量[23]。

这类拓扑结构由输入整流器、含中（高）频变压器的隔离DC/DC变换器和输出逆变器组成，与采用工频变压器实现装置隔离的结构相比，中（高）频变压器的效率高、体积小，大幅减少了同相供电装置需要的感性元件数量，这种通过电力电子变换和中、高频变压器替代工频变压器的结构，通常也被称为电力电子变压器PET（power electronic trans⁃former）[24-26]。PET最初用于组合式同相供电的补偿装置，其直接与牵引变压器2个供电臂相连，平衡2个供电臂之间有功，实现电网侧三相平衡，并取消牵引变电所内的电分相[27]。

随着技术的发展和牵引网的需要，这类拓扑结构逐步应用于贯通式同相供电技术中[28-30]，由于省去工频降压变压器，装置整流侧采用串联的方式直接接入三相电网，逆变侧同样采用串联方式直接输出27.5 kV供电电压，中间隔离DC/DC变换器起到电压等级变换与隔离的功能。

为了不改变传统牵引网结构，同时兼顾贯通式同相供电，文献[28]在传统牵引变压器的2个输出端分别连接1台单相-单相PET，2台PET经过电能变换后，并联为牵引网供电。单相-单相PET由输入侧级联H桥、高频谐振DC/DC隔离变换器和输出侧级联H桥构成，如图8所示。由图8（a）可以看出，拓扑的突出特点在于其仅需在传统牵引变电所增加2台单相PET，即可实现同相供电，变电所整体结构不变，降低重复投资；同时，2台供电PET中若1台故障，另1台可以正常运行，牵引变电所降额输出而不停电，即使2台同时出现故障，变电所也可以恢复到传统的分相供电，最大程度保障机车负荷的运行，供电可靠性很高。

图8 基于平衡变压器和PET的同相供电装置Fig.8 Cophase power supply device based on balance transformer and PET

在控制方式上，2台单相PET输入输出均采用载波移相SPWM调制CPS-SPWM（carrier phase shift-SPWM），以较低的开关频率实现高质量的电压电流波形。输入整流侧控制装置的电流和电容电压，使装置实现单位功率因数运行且不同模块电容电压仍可均衡。DC/DC变换中，高频变压器两侧漏感与谐振电容形成串联谐振，谐振频率与两侧半桥变换器开关频率相同，以50%占空比开环控制，实现开关器件的零电流关断，大幅降低系统损耗。逆变输出侧，2台装置控制方式有所不同，第1台采用开环控制，固定输出为27.5 kV牵引网电压；另1台采用电流跟踪控制，将第1台的输出电流作为第2台装置的电流给定，保证2台PET输出功率一致，实现正常运行时牵引变压器高压侧三相电流保持平衡，无负序分量，该控制策略框图如图9所示。

图9 2台PET输出侧控制策略框图（j=1，2）Fig.9 Block diagram of control strategy on output side of two PETs（j=1，2）

文献[29]详细分析了采用三相-单相PET供电的牵引网潮流，牵引变电所采用中性点钳位的3电平结构作为基本变换单元，整流器采用3组单相3电平全桥串联的方式分别连接到三相电网，中间隔离DC/DC变换器采用基于中频变压器MFT（medi⁃um frequency transformer）的二极管钳位3电平半桥双向DC/DC电路，逆变侧与整流侧结构相同，级联的整流模块为后级DC/DC模块提供独立电源，DC/DC输出端三相间并联消除因单相整流模块带来的二次纹波[31]，该拓扑结构如图10所示。

图10 采用中频变压器隔离的3电平三相-单相变换装置Fig.10 Three-level three-phase-single-phase conversion device using MFT isolation

在控制方式上，装置的整流侧通过dq解耦控制实现单位功率因数运行，DC/DC变换采用双边3电平控制，控制框图如图11所示。由图11可知，闭环控制将电压给定值与实际值做差后，经PI控制求得移相比Dφ并计算双边3电平移相占空比D1和D2，从而减小运行中流过中频变压器电感电流，有效降低轻载下DC/DC模块的损耗。

图11 DC/DC变换器控制框图Fig.11 Control block diagram of DC/DC converter

文献[30]将3组级联的H桥整流器以星型连接方式直接接入电网，每组整流器直流输出连接一组双有源桥DAB（dual active bridge）结构的DC/DC变换器进行降压，每组DC/DC输出经过一组全桥逆变输出单相交流，单相交流采用串联方式实现直接挂网输出，其拓扑结构如图12所示。由图12可以看出，该拓扑的特点在于每相级联单元之间仅在输出时进行级联，更好地保证了级联单元工作的独立性。相较于图8和图10的两种拓扑，DAB结构提高了DC/DC变换器的容量，更好地满足铁路负荷大功率的需求，另外装置中的变换器均以H桥为基本结构，更利于模块化。

图12 基于级联H桥的三级式三相-单相变换装置Fig.12 Three-stage three-phase-single-phase conversion device based on cascaded H-bridge

在控制方式上，此装置整流部分采用有功-无功解耦电容电压均衡控制，实现单位功率因数运行，保持各模块直流电压的稳定。DC/DC采用移相全桥控制，一方面实现电压等级的改变，另一方面实现高低压的隔离。为了提供牵引网稳定的交流电压，单相逆变输出侧采用双电压环的控制策略保障牵引网电压的稳定。与图8和图10两种拓扑的控制方式相比，同相供电装置容量更大，不需要考虑多台装置并联运行问题，简化了单相供电侧的控制策略，同时DAB变换结构相较于半桥DC/DC具备零电压开关特性，移相控制简单，从而使整体装置的控制策略大大简化，更好的适应牵引机车工况变化。

含中（高）频变压器的单元级联结构，通过PET取消了工频变压器，提高了装置的效率，节约了占地，DC/DC隔离一般结合软开关技术，降低开关损耗[32]，但由于增加了一次DC/DC变换，将会导致装置控制方式较为复杂，同时使用电力电子器件直接连接到电网的经济性和可靠性仍需要进一步的讨论和验证。

3 MMC拓扑与控制

单元级联型多电平拓扑各功率单元需要独立的直流供电电源，一般通过多绕组隔离变压器整流或级联模块直接并网整流得到，系统复杂程度和成本较高。因此，模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）具有公共直流母线，无需进行直流侧滤波，可靠性高，系统成本低，同时保留了传统多电平变换器开关频率低、损耗小等优点，在电能质量治理、大功率传动等方面有很好的应用前景[33-34]。

MMC拓扑在同相供电领域最初同样用于组合式同相供电，作为有源补偿器APC（active power compensator）或潮流控制器PFC（power flow control⁃ler）补偿系统的负序分量，利用MMC多电平高电压的优势省去装置两端的降压变压器直接与供电臂相连[35-36]，从而节约投资，减小占地。随着MMC拓扑和调制方式的不断完善，以及贯通式供电的需要，MMC开始用于贯通式同相供电，并且衍生出多种相适应的变换器结构。

文献[37]采用半桥型MMC实现三相交流-直流-单相交流变换，三相侧通过降压变压器从电网侧取电，增强了系统的可靠性，单相侧子模块级联实现波形高度正弦化无需滤波装置直挂于牵引网，其拓扑结构如图13所示。为了满足牵引网对电压质量的要求，装置采用一种改进型最近电平调制NLM（nearest level modulation），通过在上、下桥臂参考电压中同时加入1个偏移量，使上、下桥臂阶梯波阶跃时刻错开一定角度，从而在1个调制波周期内，输出电压电平提高一倍，大大改善波形质量。

图13 基于MMC三相单相变换器的贯通供电系统Fig.13 Through-type power supply system based on MMC three-phase single-phase converter

为了解决应用于同相供电的MMC结构中电容电压不均衡的问题，文献[38]研究了适用于较多模块的电容电压均衡的并行排序算法，结合现场可编程逻辑门阵列FPGA（field programmable gate array）并行处理的优势，实现了计算时间缩短且不随模块的增多而增加的目标，提升了电容电压均衡速度，使装置能更好地适应牵引负载的随机性、波动性。

上述用于同相供电的MMC拓扑为AC/DC/AC结构，通过整流和逆变侧的能量交互实现三相电网与单相牵引网的解耦。但随着对MMC研究的深入，适用于同相供电的直接AC/AC型MMC拓扑被提出，其具有高功率密度、高器件利用率、成本低等优势[39-40]。

应用于贯通式同相供电的直接AC/AC型MMC拓扑需要将三相工频交流电直接变换为单相工频交流电，而常用的直接AC/AC变换的全桥6桥臂MMC拓扑应用于同频变换时，除了特定的几个工作点外，其他工况均需要在输入侧注入无功功率，才能保证桥臂间的能量均衡[41]，这会降低电网侧功率因数。为了解决这个问题，文献[42]提出一种全桥7桥臂的MMC拓扑，在全桥6桥臂拓扑的基础上，单相输出侧增加了1个旁路桥臂进行辅助调节，其拓扑结构如图14所示。由图14可知，通过旁路桥臂对单相输出端口进行无功调节，实现2个交流端口的无功解耦，不再需要牺牲网侧功率因数或注入共模电压来调节桥臂能量平衡，避免了因缺少无功环流导致的系统不稳定[43]。

图14 全桥7桥臂MMC同频直接AC/AC变换器Fig.14 Full-bridge seven-arm MMC same-frequency direct AC/AC converter

对于7桥臂的MMC控制可分为网侧控制、环流控制和旁路桥臂控制，其控制框图如图15所示。电网侧采用同步旋转坐标系下的dq解耦控制，加入基于卡尔曼估值器的低通滤波以获得更好的控制性能，实现桥臂中的能量保持在额定值和系统单位功率因数运行。环流控制实现桥臂能量的平均分布，通过控制环流的d轴分量实现三相间能量均衡，通过控制环流的q轴分量消除上、下桥臂间的能量差异，在控制环路引入上、下桥臂间电容电压的和、差增强系统的动态响应。旁路桥臂控制涉及桥臂电容电压平均值和支路电流d、q轴分量，通过闭环控制，使桥臂输出装置所需无功功率维持其并联运行所需能量。

图15 7桥臂MMC控制框图Fig.15 Control block diagram of seven-arm MMC

基于MMC的多端柔性直流MTDC（muti-termi⁃nal direct current）输电系统具备长距离输电和多落点受电的特点，适合作为长距离贯通式同相牵引供电架构[44]。文献[45-47]将其引入牵引供电系统，在公共电网和牵引网之间建立一条高压直流线路用于全线公共的三相-单相解耦，公共电网经过三相MMC整流接入直流线路，牵引网通过单相MMC接入直流线路，整流逆变侧可采用半桥或全桥式MMC拓扑，该系统结构如图16所示。

图16 基于MMC-MTDC的同相供电系统Fig.16 Cophase power supply system based on MMC-MTDC

在控制方法上，文献[45]在三相整流侧电压电流双环控制中均引入前馈环节提升响应速度，在单相逆变侧，为了解决每个供电区间的负载变化对锁相环的强烈干扰，采用无锁相环的直接功率控制结构，从而在不需要对输出电压锁相的前提下实现变换器同步。文献[46]提出一种基于虚拟同步坐标系统下的单相全桥MMC逆变器的控制方式，采用全通滤波器构造虚拟正交量，通过交流电压控制和输出相位给定将输出逆变器输出电压、电容电流和负载电流三者结合建立双闭环控制系统。所提系统中直流线路的电压稳定对牵引网侧供电质量十分关键，因此根据三相MMC稳态瞬时功率之和与直流电压成平方关系，在整流侧采用一种基于直流电压平方的下垂控制策略，可以更好的稳定直流电压[47]。

MMC用于AC/DC/AC的间接变换时，无需独立直流电源，具备公共直流母线，在贯通式同相供电装置中优势明显，因此在后续的研究中应加以利用，同时要注意不同子模块中电容选择的经济性[48]。直接AC/AC同频变换的拓扑功率密度、器件利用率更高，但工作时存在桥臂能量平衡和网侧无功补偿的问题，需要结合牵引供电的特点进行更加深入研究。基于MMC-MTDC的同相供电装置结构具有容量大、电压等级高和端口多的优势，逆变侧、整流侧无需使用升、降压变压器，额外建设的直流母线虽然增加了投资，但也使同相供电系统引入了直流端口，其对于分布式能源的灵活接入和牵引网应用的拓展有很大的帮助[49]。

综上，将多电平同相供电装置拓扑与控制方式分类总结在表1中，以便后续深入研究和工程建设需要。就目前多电平同相供电装置的发展情况来看，各类装置的拓扑和控制方式仍需不断优化和完善，从而更好地应用于实际牵引变电所改造中。

表1 多电平同相供电装置拓扑对比和控制方式总结Tab.1 Comparison among topologies of multi-level cophase power supply devices and summary of their control methods

（1）基于工频变压器的单元级联拓扑中，多绕组变压器、移相变压器及切分变压器的二次侧绕组数量多、接线方式复杂，变压器效率低，需要提高工频变压器的制作工艺、优化接线方式并降低损耗，从而增强这类拓扑的竞争力。

（2）基于中（高）频变压器的单元级联拓扑经过3次电能变换实现三相/单相过程，控制策略较为复杂，可提高各变换级的联系，增强控制算法的整体性。另外，由于缺少工频变压器，功率单元通过串联方式直接接入电网，这种方法的经济性和运行的可靠性还需要深入评估。

（3）MMC进行交-直-交变换不需要多个独立的供电电源，避免了多绕组变压器的使用，但需要更多的电容和信号采集设备，如何优化不同子模块电容大小，降低控制的复杂程度，增强系统对网侧电压不平衡工况的适应性等，均需要继续深入的研究；对于直接AC/AC三相-单相同频变换的结构，如何减小桥臂电流应力，降低电容电压的基频波动需要进一步研究。结合MTDC技术的供电方式为牵引供电架构提供了很好发展思路，通过建设直流母线为新能源和储能装置的接入带来了便利，由此会带来的额外建设成本，需要进一步评估。

（4）使用电力电子变换装置为牵引网供电的过程中，单相逆变侧不可避免的会在直流母线上叠加2次谐波，在闭环控制下，调制信号中会引入高次谐波分量，导致牵引供电系统向三相电网注入高次谐波电流，这是采用电力电子变换方式实现单相供电装置所共同面对的难题。

4 新能源混合多端同相供电系统

为加快建设交通强国，构建现代化高质量国家综合立体交通网，中共中央、国务院印发了《国家综合立体交通网规划纲要》，按照交通运输部的解读，其中一条重要的工作原则是“创新智慧、安全绿色”[50]。因此，融合新能源发电推进交通绿色化、电气化进程，扩功能，降排放，结合先进信息技术，是未来铁路网发展的方向[51]。

电气化铁路能耗大、线路长，非常适合沿线新能源的就近消纳[52]，但新能源的接入会很大程度上改变原有牵引网架构，同时风电、光伏的波动性、间歇性，与牵引负荷的冲击性、随机性叠加形成双重不确定性，给牵引网的供电质量和新能源消纳程度带来极大挑战[53]。为此，构想一种有效融合新能源的牵引网架构，即如图17所示的新能源混合多端同相供电系统，从而促进未来新能源发电和牵引网的高质量融合，有力推动电气化铁路的绿色可持续发展。

图17 新能源混合多端同相供电系统Fig.17 New energy hybrid multi-terminal cophase power supply system

由图17可知：①为了铁路沿线新能源灵活方便接入，牵引网采用MTDC结构，全线引入直流输电线路，依靠多电平同相供电装置高效灵活的能量变换优势，促进铁路新能源的利用率；②为了更好地保障牵引网供电质量和新能源消纳程度，结合人工智能优化算法，进行负荷预测和发电预测，利用储能将电能从时间维度转换到空间维度，同时合理分解可再生能源合同电量[54]，促进我国电力市场化的发展，提高资源合理分配和利用；③为了更准确及时利用负荷预测信息和电价信息调节变换器的输入输出，以5G为依托，构建强有力的高速通信网，同时结合云计算终端实现大规模信息的快速计算，提高整个系统的实时性。

新能源混合多端同相供电系统的建设可分阶段进行。①现阶段，建设重点集中在多电平同相供电装置的引入和牵引网结构的转型；改造既有牵引变电所供电结构，形成以全电力电子变换为基础的供电方式，推进牵引网的全线贯通；调研铁路沿线的新能源富集状况，初步确定沿线新能源接入点和容量；强化铁路调度和供电系统的信息传递，结合新能源的发电预测和机车的负荷预测，增强牵引供电系统中新能源发电的消纳能力。②下一阶段，建立便于新能源接入的直流母线，接入沿线分布式新能源电站，配合储能装置，形成融合新能源的MTDC牵引供电架构；随着5G技术更加成熟，利用其高速通信的优势，采用较成熟的人工智能算法，结合电价信息、负荷预测和发电预测，以新能源消纳率、公共电网和牵引网电能质量、供电成本为优化目标，实现新能源混合多端同相供电系统最优运行。

5 结语

本文将目前级联多电平同相供电装置细分为3类，分别阐述了各类装置的主要拓扑和相应的控制方式，对比了3类装置的特点并有针对性地指出后续研究的重点。结合多电平高压大功率变换、人工智能算法、5G高速通讯等技术，构想了未来新能源与同相供电结合的新架构，即新能源混合多端同相供电系统，并从发展途径的角度给出了近期和远期的建设重点和目标。

新能源混合多端同相供电系统，作为一种集贯通同相供电、新能源消纳、电力系统经济运行为一体的新型架构，其有利于牵引供电系统、微电网系统和电力系统的互联互通，值得结合新一代先进技术深入探讨。