電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵性技術(shù)

王典春

摘要：在本文中，對牽引供電系統(tǒng)中存在的一些問題，比如諧波和負(fù)序及無功等問題進(jìn)行了闡述，并針對當(dāng)前的供電方案進(jìn)行分析對比，重點(diǎn)闡述了同相供電系統(tǒng)。此外，還結(jié)合了當(dāng)前的電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了新的無牽引變壓器新型同相供電系統(tǒng)的思想和關(guān)鍵技術(shù)，以期能為同相供電系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；牽引供電系統(tǒng)；研究現(xiàn)狀；關(guān)鍵性技術(shù)

前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電氣化鐵路在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮出了越來越重要的作用。但是因此也帶來了一些新的問題，比如公共電網(wǎng)的負(fù)序電流問題和諧波等。針對這些問題，國內(nèi)外專家都進(jìn)行了積極的探討和研究，分析了當(dāng)前電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中存在的問題并提出了解決的策略，并對這些解決策略進(jìn)行了分類總結(jié)，以期能為同相供電問題的研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

1.電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的問題分析

電氣化鐵路在我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮出了重要的作用，它對國計民生意義重大，所以確保鐵路供電系統(tǒng)建設(shè)也就顯得更加重要。對于電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)來說，它既要滿足電力系統(tǒng)的需求，又要確保公共電網(wǎng)的正常使用。因為電氣化鐵路供電具有其自身的特殊性，所以面臨著許多的問題。

（1）將三相公共電網(wǎng)接人到牽引供電網(wǎng)中，由于電力機(jī)車是單相的交流負(fù)載，這樣會造成電力系統(tǒng)的負(fù)序電流。負(fù)序電流具有較強(qiáng)的破壞性，它可以使得變壓器的附件發(fā)熱，同時還能降低變壓器的容量利用率，電網(wǎng)中的電能質(zhì)量也會因此降低，輸電線路會因此遭受不必要的損失，同時還會影響到電網(wǎng)中一些電力設(shè)備的正常運(yùn)行。

（2）在牽引供電系統(tǒng)中，不可控整流型機(jī)車是重要的諧波源。雖然交一直一交型電力機(jī)車在當(dāng)前得到了不斷的推廣，但是多種車型并存的情況在短期內(nèi)是不會得到改變的，還會繼續(xù)存在，諧波問題仍然是重要的牽引供電系統(tǒng)問題。諧波的存在影響也很大，它將電網(wǎng)中元件的附加損害增加，同時對電氣設(shè)備的正常運(yùn)行也會造成影響，沿線通訊也會受到不良影響，同時還會使繼電器出現(xiàn)誤動作，增加不必要的安全隱患，電網(wǎng)中的儀器儀表會由此而出現(xiàn)測量不準(zhǔn)確的情況，從而出現(xiàn)控制錯誤。

因為這些存在的問題，很多的國家比如德國除了利用供電電網(wǎng)進(jìn)行牽引供電網(wǎng)取電，還會建立大量的輸電系統(tǒng)和鐵路專用電廠，利用15千伏/16赫茲的供電模式。電氣化鐵路存在的問題因為這些方式可以得到一定程度上的解決，但是與我國當(dāng)前的國情50Hz等實際情況并不相符，需要采取適合我國國情的能解決我國的當(dāng)前電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的切實有效的措施。

2.同相供電系統(tǒng)方案

（1）同相供電系統(tǒng)采用電力電子平衡變換裝置并結(jié)合牽引變壓器方案。牽引變壓器在鐵路上常用的聯(lián)結(jié)方式有以下幾種：斯科特聯(lián)結(jié)、單相聯(lián)結(jié)、改進(jìn)型非阻抗平衡變壓器、三相YNdll型聯(lián)結(jié)等。電力電子平衡變換的平衡變換裝置結(jié)構(gòu)可以如圖1所示。

在圖中，為了實現(xiàn)牽引網(wǎng)低壓到高壓的隔離和轉(zhuǎn)換，使用了升降壓變壓器。圖中所示的平衡變換裝置結(jié)合不同的牽引變壓器的同相供電系統(tǒng)得到了較為廣泛的關(guān)注和研究?；赮dll型的牽引變壓器同相供電系統(tǒng)可以如圖2所示：

為了將裝置進(jìn)行擴(kuò)容，當(dāng)前的大容量高壓系統(tǒng)中級聯(lián)型多電平變換器大都采用6KV及以上電壓等級的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高壓輸出是通過多個具有獨(dú)立直流電源的功率單元以級聯(lián)方式來實現(xiàn)的。如果要實現(xiàn)能量回饋，需要將單相或三相PWM整流器使用在功率單元的前端，

兩種拓?fù)涠际窃跔恳儔浩鞯膬杀凵辖尤肫鋬啥?，通過對兩臂的負(fù)載電流調(diào)節(jié)平衡實現(xiàn)同相供電。同時，還能多目標(biāo)控制電流，可以綜合治理諧波、無功和負(fù)序。它屬于電力電子平衡變換裝置。這種以電力電子平衡變換裝置為基礎(chǔ)的同相供電解決方案能有效對原來的牽引變壓器進(jìn)行保留，使得成本得到有效降低，系統(tǒng)的性能也得到了提高，雖然可以綜合治理諧波、無功和負(fù)序等問題，但是屬于被動的補(bǔ)償方式，很難進(jìn)行主動控制，不能將電分相問題徹底解決，從而也就無法實現(xiàn)真正的貫通式并聯(lián)同相供電。

（2）新型同相供電系統(tǒng)（無牽引變壓器）。公共電網(wǎng)會因為電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的大功率和高壓等特點(diǎn)而受到影響，多電平技術(shù)可以解決該問題，它可以有效實現(xiàn)大功率和高壓的直接變換，還可以對公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行綜合的治理。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能有效確保各個功率單元的功率分配平衡，同時可以保持電力系統(tǒng)的三相平衡。為了將拓?fù)涞捏w積和成本降低，可以利用切分變壓器的二次側(cè)漏抗來代替各功率單元中的單相PWM整流器輸入電抗器，PWM整流器可以控制輸入電流的單位功率因數(shù)，諧波電流和無功能通過直流母線電容得到隔離，單相交流供電電壓通過級聯(lián)型逆變器得到了有效輸出。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，使用了電力電子變換方式，將傳統(tǒng)的電力電子變換裝置作為輔助牽引變壓器為主的方式徹底取代了，對牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題有著很好地解決。

3.新型同相供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）功率單元擾動量全前饋控制。因為機(jī)車的負(fù)載容易出現(xiàn)變化，所以會出現(xiàn)感性、阻性和非線性等負(fù)載特性。在機(jī)車啟動和制動的過程中，會從電網(wǎng)吸收能量和回饋能量，因此會出現(xiàn)較為劇烈的能量變化。無牽引變壓器同相供電拓?fù)洳捎昧藛蜗嗟腍-H橋結(jié)構(gòu)，將切分變壓器二次側(cè)和其一側(cè)相連接，另一側(cè)與其他單元進(jìn)行級聯(lián)，從而提供電源給單相接觸網(wǎng)，由各個能量單元來成成機(jī)車的瞬時能量負(fù)載變化，為了減小擾動量的影響，在H-H結(jié)構(gòu)中會使用負(fù)載電流前饋一側(cè)來提高其動態(tài)響應(yīng)性能。為了消除H-H功率單元受到電網(wǎng)電壓和直流母線電壓波動的動靜態(tài)影響，將系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能提高，以此來適應(yīng)機(jī)車的頻繁變化，所以需要深入研究功率單元的擾動量全前饋控制策略。

（2）多臺無牽引變壓器同相供電裝置的并聯(lián)控制。要想將同相供電系統(tǒng)實現(xiàn)，需要將電分相環(huán)節(jié)取消。那么電力電子變換同相供電系統(tǒng)會面臨并聯(lián)環(huán)流等問題。整個并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性和效率都會因為這些過大的環(huán)流而出現(xiàn)降低的情況，當(dāng)前的逆變器并聯(lián)控制可以分為主從式控制法、無互聯(lián)線控制法和分布式控制法。對于傳統(tǒng)的并聯(lián)方法來說，它是基于均流的。因此不能直接應(yīng)用于牽引供電網(wǎng)，電力電子變換和牽引變壓器同相供電系統(tǒng)對變壓器二次側(cè)進(jìn)行直接的并聯(lián)，電分相現(xiàn)象并不能得到徹底取消，為了將電分相環(huán)節(jié)取消，需要使用無牽引的變壓器級聯(lián)型新型同相供電系統(tǒng)，利用電力電子變換技術(shù)，并聯(lián)多臺新型的同相供電裝置，從而實現(xiàn)貫通式的同相供電。

4.小結(jié)

我國當(dāng)前是將三相接入電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，這種供電方式存在較大的不利影響，電能質(zhì)量如果需要有更高的要求，就需要采用平衡接線方式，這種方式可以更好地配合單相牽引供電，以無源補(bǔ)償作為重點(diǎn)，將有源補(bǔ)償作為輔助，這樣可以爭取利用最小化的投資取得最大化的利益。以平衡裝置和牽引變壓器為機(jī)車的同相供電系統(tǒng)可以充分利用現(xiàn)有的牽引變壓器，不僅沒有很高的改造成本，還可以在裝置出現(xiàn)故障時繼續(xù)為電力機(jī)車供電。所以，全電力電子變換的無牽引變壓器多電平新型同相供電系統(tǒng)可以將電分相環(huán)節(jié)徹底取消，是同相供電系統(tǒng)的重要研究方向。