電氣化鐵路同相供電技術(shù)可靠性分析

吳觀華

（中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，武漢430074）

1 工程概況

溫州市域鐵路S1線一期工程總長(zhǎng)度為53.507 km，路基3.029 km、橋梁7座39.112km，越嶺雙線隧道2座1.323 km，地下線10.043 km，橋隧比94.34%。全線建設(shè)2座地面車站、3座地下車站、13座高架車站，預(yù)留車站2座。根據(jù)規(guī)劃，近期平均站間距3.13 km，遠(yuǎn)期減小至2.73%km。本項(xiàng)目采用了新型同相供電技術(shù)，這在國(guó)內(nèi)市域鐵路施工建設(shè)史上尚屬首次。該技術(shù)采用同一相位的單相供電技術(shù)，可避免電分相，實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)電壓同相位運(yùn)行，是解決長(zhǎng)期困擾鐵路過(guò)分相和電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段，有利于重載列車和高速牽引列車的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 同相供電技術(shù)在本項(xiàng)目的應(yīng)用特點(diǎn)

項(xiàng)目高度重視對(duì)供電系統(tǒng)的優(yōu)化，引入了同相供電技術(shù)，有利于優(yōu)化牽引網(wǎng)的工作狀態(tài)，使其電壓同相位運(yùn)行，突破傳統(tǒng)方式下鐵路過(guò)分相和電能供應(yīng)品質(zhì)偏低的發(fā)展局限性。

同相供電技術(shù)是隨著行業(yè)的發(fā)展而衍生出的新型技術(shù)形式，具有自動(dòng)化水平高、安全可靠等特點(diǎn)，解決了以往電氣化鐵路負(fù)序、無(wú)功等問(wèn)題，以維持電氣化鐵路安全運(yùn)營(yíng)為前提，提高其節(jié)能環(huán)保水平。受惠于同相供電技術(shù)的多重應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其逐步成為市域鐵路電氣化建設(shè)領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)。

具體至本項(xiàng)目中，在同相供電系統(tǒng)的組成中，通過(guò)潮流控制器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變壓器的整合，使該處的2條饋線合并成1條，高效向牽引網(wǎng)供電，此機(jī)制下各變電所的輸出電壓具有均衡性，表現(xiàn)出相位一致的特點(diǎn)，以往電分相的問(wèn)題不復(fù)存在。

3 同相供電裝置的安裝

3.1 規(guī)格特點(diǎn)

同相供電裝置的規(guī)格特點(diǎn)如表1所示。

3.2 安裝方法

表1 同相供電裝置規(guī)格特點(diǎn)

安裝過(guò)程中，主要考慮如下幾點(diǎn)：（1）同相供電裝置集交直交變流器和牽引匹配變壓器于一體，為高效完成安裝，在設(shè)備生產(chǎn)前，以設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面的情況為依據(jù)，制訂可行的安裝方案，具體需考慮變壓器的安裝、變流器的安裝、饋出高壓開關(guān)柜的配置等，各方面均要滿足要求；（2）以工程進(jìn)度計(jì)劃為準(zhǔn)及時(shí)組織設(shè)備運(yùn)輸作業(yè)，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后全面檢查，再由專業(yè)人員將設(shè)備安裝到位；（3）以全戶內(nèi)式布置方式為主，在施工前獲取房建工程的實(shí)際信息，包含施工進(jìn)度、質(zhì)量等，形成合理的規(guī)劃，合理安排人員，保證設(shè)備的運(yùn)輸和安裝均具有流程性，以減少工序交叉，有序開展各項(xiàng)工作。

4 同相供電裝置結(jié)構(gòu)類型

現(xiàn)階段，同相供電裝置已經(jīng)取得較顯著的發(fā)展成果，結(jié)構(gòu)類型逐步豐富，主要有如下2種：（1）單項(xiàng)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其按照“背對(duì)背”的方式連接直流電源，可確保電能的交換具有足夠的穩(wěn)定性與可靠性；（2）在科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的背景下，技術(shù)的驅(qū)動(dòng)作用愈發(fā)顯著，多重化結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，擴(kuò)容效果良好，可滿足大功率運(yùn)行的要求。同相供電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

5 技術(shù)方案

國(guó)內(nèi)關(guān)于同相供電系統(tǒng)的研究主要分2類：基于對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)的同相供電系統(tǒng)和基于有源補(bǔ)償技術(shù)的同相供電系統(tǒng)。

5.1 采用對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)

通過(guò)并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償（PRC）方式的應(yīng)用有助于削弱單相負(fù)荷所形成的負(fù)序電流，并且具備無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ?，由此達(dá)到同相供電的效果。此外，也可采取并聯(lián)電容補(bǔ)償（PCC）的方式。YNdl1接線三相一單相系統(tǒng)的對(duì)稱補(bǔ)償，其主要特點(diǎn)在于補(bǔ)償裝置的容量利用率較低，順利設(shè)置補(bǔ)償裝置的必要前提在于得到3個(gè)端口的支持，且精準(zhǔn)控制輸出的電壓，不能與鄰近單相變壓器變電所的電壓相位一致。對(duì)于特殊接線方式下所構(gòu)建的三相一單相對(duì)稱補(bǔ)償系統(tǒng)，其主要運(yùn)行目標(biāo)體現(xiàn)在2方面：（1）尋找負(fù)序完備補(bǔ)償?shù)淖詈?jiǎn)方式；（2）與單相接線牽引變壓器高效結(jié)合，達(dá)到同相供電的效果，發(fā)揮出電力系統(tǒng)承受負(fù)序的能力，將系統(tǒng)化繁為簡(jiǎn)。

圖1 同相供電結(jié)構(gòu)

5.2 采用有源補(bǔ)償技術(shù)構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)

PFC為潮流控制器。目前電力電子技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展和廣泛應(yīng)用，由于具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和精度高的特點(diǎn)，因此，基于電力電子的有源補(bǔ)償技術(shù)具有較高實(shí)用價(jià)值。這種同相供電方案中，潮流控制器是實(shí)現(xiàn)同相供電的關(guān)鍵設(shè)備。潮流控制器是由電力電子器件和控制系統(tǒng)構(gòu)成的變流器系統(tǒng)，其主要組成包含3部分：（1）補(bǔ)償電流生成電路，可檢測(cè)牽引負(fù)荷電流的具體分量，如有功、無(wú)功和諧波；（2）電流跟蹤控制電路，其能夠產(chǎn)生PWM控制脈沖；（3）主電路，核心組成為變流器。從工作原理的角度分析潮流控制器的運(yùn)行特性：檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，其間生成補(bǔ)償電流指令信號(hào)，依托于電流跟蹤控制電路可以形成PWM控制脈沖，此后帶動(dòng)主電路運(yùn)行，使其產(chǎn)生綜合補(bǔ)償電流，以滿足補(bǔ)償對(duì)象的需求[1]。

5.3 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

同相供電系統(tǒng)具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)性，主要表現(xiàn)在：（1）取消分相，避免了分相時(shí)的列車速度損失，提高了列車的通過(guò)能力，增加了運(yùn)量；（2）由于牽引變壓器利用率的提高，可降低牽引變壓器安裝容量1～2個(gè)容量等級(jí)，節(jié)省大量的固定電費(fèi)（每年數(shù)百萬(wàn)）；（3）可改善功率因數(shù)、降低電壓不平衡度、提高和穩(wěn)定網(wǎng)壓，避免電能質(zhì)量罰款；（4）可節(jié)省其他電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置（如固定補(bǔ)償、SC等）費(fèi)用；（5）取消變電所出口分相，節(jié)省地面自動(dòng)過(guò)分相裝置投資。

6 有源補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)及結(jié)論

有源補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1）防止并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大。在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會(huì)對(duì)某次諧波發(fā)生振蕩，從而對(duì)該次諧波起放大作用，危及電容本身和附近的電氣設(shè)備。在對(duì)電容器組的部分支路采取改造措施后（改為濾波器），或采用串聯(lián)電抗器的方式，可抑制電容器組對(duì)諧波的放大作用，改善運(yùn)行環(huán)境。

2）增設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。電弧爐、卷?yè)P(yáng)機(jī)等裝置在運(yùn)行期間存在快速變化的諧波源，同時(shí)伴有供電電壓的波動(dòng)和閃變現(xiàn)象，甚至在特殊情況下會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)電壓三相失衡的局面，導(dǎo)致公用電網(wǎng)難以維持正常工作狀態(tài)，電能質(zhì)量大幅下降。對(duì)此，在精準(zhǔn)鎖定諧波源后，于該處以并聯(lián)的方式設(shè)置靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，此舉有助于減少波動(dòng)的諧波量，克服三相不平衡的問(wèn)題，也能在一定程度上補(bǔ)償功率因素。

3）改善供電環(huán)境。正確選用供電電壓，切實(shí)維護(hù)三相電壓的均衡性與穩(wěn)定性，此舉有助于削弱諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。諧波源的供電對(duì)象為高一級(jí)電壓的電網(wǎng)，架設(shè)專門的線路，以滿足諧波源負(fù)荷的供電需求，以免因諧波的存在對(duì)其他負(fù)荷帶來(lái)負(fù)面影響。在該工作機(jī)制下可抑制甚至完全消除高次諧波。

較之于對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)，此處所提的有源補(bǔ)償技術(shù)的綜合應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更為顯著，高度可控、快速響應(yīng)，可以根據(jù)需求補(bǔ)償各次諧波，緩解甚至解決閃變、補(bǔ)償無(wú)功的問(wèn)題；成本方面，濾波特性并不會(huì)受到系統(tǒng)阻抗的干擾，避免了與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的問(wèn)題。在容量逐步加大的行業(yè)發(fā)展背景下，有源濾波技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)，應(yīng)將其視為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，并擴(kuò)寬其適用范圍，打破以往僅補(bǔ)償用戶自身諧波的束縛，將其延伸至整個(gè)電力系統(tǒng)中，切實(shí)提高整體的電能質(zhì)量。

7 結(jié)語(yǔ)

同相供電技術(shù)在現(xiàn)階段的電氣化鐵路工程建設(shè)事業(yè)中取得廣泛的應(yīng)用，同相供電系統(tǒng)的可靠性成為技術(shù)人員乃至社會(huì)各界高度關(guān)注的對(duì)象，為推動(dòng)電氣鐵路的高效運(yùn)行，必須展開可靠性分析，以便準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)同相供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)采取處理措施，切實(shí)保證同相供電系統(tǒng)的可靠。