一种贯通式同相供电系统及原理分析

［关键词］电气化铁路；同相供电；自动过分相

电气化铁路是大宗移动性单相负荷，大多数国家采用单相单边供电方式，会在三相电网产生大量负序电流，对电网供电品质带来一系列不利影响，尤其是重载货运线路，机车载重大，线路坡道大，产生的负序电流也很大，三相电压不平衡度易超标。此外，针对重载货运线路，经常出现一臂重载、一臂轻载，尤其是重载机车在大坡道运行时，一供电臂负荷电流很大，牵引变压器容量利用率低、三相负序严重，易造成变电所变压器过负荷和负序跳闸。随着我国高速与重载铁路的迅速发展，列车单机牵引功率和发行密度不断提高，上述问题更加显著，因此对牵引供电系统容量、利用率等提出更高要求。

随着功率开关器件制造技术和大功率变流技术的发展，电气化铁路电力电子化是一种解决上述问题的有效方法，且大功率变流技术在牵引变电领域得到了逐步应用。同相供电技术是一种典型代表，指相邻供电区间的接触网电压相位一致的牵引供电方式，典型实现方式为在牵引变电所通过交直交变流器实现电压变换，形成单一电压源向列车负荷供电。地面自动过分相是在牵引变电所或分区所采用高压断路器或晶闸管阀组实现将中性区与某一供电臂接通，使得列车带电通过中性区。

为进一步改进电气化铁路牵引供电系统，文章提出一种虚拟贯通式同相供电系统，结合变电所同相供电和分区所地面自动过分相技术，形成虚拟式全线同相贯通的牵引供电系统，在满足现阶段电网运行条件下提升牵引供电系统供电品质与列车过分相性能。

1 虚拟贯通式同相供电

1.1 系统结构

虚拟贯通式同相供电系统主要由牵引变电所同相供电子系统和分区所地面自动过分相子系统构成。同相供电子系统采用“牵引变压器+变流器”的形式输出单相电压，实现同一牵引变电所对应的供电区间接触网电压同相位。分区所地面自动过分相子系统从某一供电臂取电，经变流器向中性区接触网供电，实现中性区带电行车且采用调幅移相的方式调节中性区电压，使列车带电带载无感知通过分相区。虚拟贯通式同相供电系统结构如图1所示。

1.2 变电所同相供电

变电所同相供电，以采用Scott牵引变压器的典型结构为例，变压器低压侧M座输出端与牵引母线连接，T座输出端与同相供电变流机组连接，共同向牵引负荷供电，系统结构如图2（a）所示，变流器可以采用两电平多重化或多电平结构形式，如图2（b）所示。

同相供电系统主要功能有：①可取消变电所出口处电分相，避免列车过分相速度损失，减小车载电气设备故障率；②提高接触网供电品质，尤其是减小三相电网侧负序电流，降低电网电压不平衡度，解决现我国部分铁路负序超标问题。此外，还可兼顾一定程度的无功补偿与谐波抑制。

1.3 分区所地面自动过分相

采用基于全控型功率开关器件实现地面自动过分相，通过变流器向中性区供电，并通过调幅移相的方式调整中性区电压，实现列车带电、带载平滑通过中性区。图3为地面自动过分相系统结构及变流器典型拓扑，图4为中性区电压调幅移相示意图。该系统主要功能及特征如下：①输出侧变压器串联至某一供电臂与中性区之间，仅需输出目标电压与供电臂电压之差，所与输出侧变压器并联接入中性；②通过调幅移相方式向中性区供电，等效于全线同相贯通，列车可实现无感知过分相。

2 仿真验证

2.1 变电所同相供电

设定电网电压为110kV，牵引网额定电压为27.5kV，带载4MVA。在0.3s时同相供电机组投入运行，同相供电变流机组波形如图5所示，电网侧电压、电流波形如图6所示。由此可知，同相供电变流机组输入侧单位功率因数运行，其输出电流与Scott变压器M座相同，实现了T座和M座均衡输出，电网侧电流平衡。

2.2 分区所地面自动过分相

设定列车由α相供电臂向β相供电臂行驶，由地面自动过分相系统向中性区供电，中性区电压与α相供电臂相同。当列车驶入中性区后，在0.8s时地面自动过分相系统输出电压开始调幅移相，经过0.1s使中性区电压逐渐变换与β相供电臂相同。供电臂与中性区电压波形如图7所示，列车负载电流波形如图8所示。列车整个过程持续供电，无暂态冲击。

3 结束语

文章提出一种虚拟贯通式同相供电系统，由变电所同相供电和分区所地面自动过分相构成。该系统可实现负序等电能质量治理、提高牵引变压器容量利用率，综合提高供电能力和供电品质，还可以通过调幅移相的方式向接触网中性区供电，实现列车带电、带载通过分相区。