同相供电技术在电气化铁路中的应用曹阳

同相供电技术在电气化铁路中的应用曹阳
发布时间：2021-07-08T11:30:15.387Z 来源：《基层建设》2021年第11期作者：曹阳
[导读] 摘要：随着社会的发展，我国的铁路工程建设的发展也有了创新。

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摘要：随着社会的发展，我国的铁路工程建设的发展也有了创新。

在我国，铁路运输在国家战略和国民生活方面发挥了重要作用，是现阶段十分重要的出行与货运方式，受到了社会各界的广泛关注。

目前，在我国“八纵八横”铁路网宏大蓝图的规划下，铁路牵引供电系统正处于高速化、重载化方向的发展阶段。

关键词：同相供电技术；电气化铁路；应用
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。

1同相供电技术
（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。

2电气化铁路供电系统
2.1供电系统
电气化铁路通常包括供电系统、电力机车。

其中的供电系统又包括供电电源和牵引供电系统。

（1）供电系统。

供电系统中的变电站和高压输电线作为电气化铁路系统的供电核心，变电站中的牵引站电压为110kV、220kV和330kV。

其中，普通的电气化铁路电压等级为110kV，将其运用在铁路设备系统中，具有设备功率大、使用时间长的特点；但是，在电气化供电系统运行中，经常会受到三相不平衡因素的影响，在高速铁路供电系统设计中，需要提高供电系统的可靠性，以增强电能质量，实现电气化铁路供电系统的运行目的。

（2）牵引供电系统。

根据电气化铁路供电系统的运行状况。

牵引供电系统在运行中，本土型号的电力机车需要根据牵引变压器的运行特点，通过牵引线馈线将电能传送到接触网，以保证电力机车系统的正常运行，实现电气化铁路供电系统的运行目的。

2.2电力机车
结合电气化铁路系统的运行特点，电力机车作为电气化铁路系统的核心，主要包括“交—直”型和“交—直—交”型：①“交—直”型电力机车采用多段桥相控整流方式，在无功能补偿的情况下，系统的平均功率因数相对较低，而且，在系统正常的情况下，会产生谐波，主要以3、5、7等级为核心；②“交—直—交”型机动车中，谐波的含量相对较低，存在着功率因数高的优势。

但是，在“交—直—交”型电力机车单相供电的情况下，当功率大幅增加时，会为三相电网侧带来严重的影响，无法提升电力机车运行的稳定性。

3技术方案
3.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统
通过并联无功补偿（PRC）方式的应用有助于削弱单相负荷所形成的负序电流，并且具备无功补偿的功能，由此达到同相供电的效果。

此外，也可采取并联电容补偿（PCC）的方式。

YNdl1接线三相一单相系统的对称补偿，其主要特点在于补偿装置的容量利用率较低，顺利设置补偿装置的必要前提在于得到3个端口的支持，且精准控制输出的电压，不能与邻近单相变压器变电所的电压相位一致。

对于特殊接线方式下所构建的三相一单相对称补偿系统，其主要运行目标体现在2方面：（1）寻找负序完备补偿的最简方式；（2）与单相接线牵引变压器高效结合，达到同相供电的效果，发挥出电力系统承受负序的能力，将系统化繁为简。

3.2采用有源补偿技术构成的同相供电系统
PFC为潮流控制器。

目前电力电子技术得到了长足发展和广泛应用，由于具有动态响应速度快和精度高的特点，因此，基于电力电子的有源补偿技术具有较高实用价值。

这种同相供电方案中，潮流控制器是实现同相供电的关键设备。

潮流控制器是由电力电子器件和控制系统构成的变流器系统，其主要组成包含3部分：（1）补偿电流生成电路，可检测牵引负荷电流的具体分量，如有功、无功和谐波；（2）电流跟踪控制电路，其能够产生PWM控制脉冲；（3）主电路，核心组成为变流器。

从工作原理的角度分析潮流控制器的运行特性：检测补偿对象的电压和电流，其间生成补偿电流指令信号，依托于电流跟踪控制电路可以形成PWM控制脉冲，此后带动主电路运行，使其产生综合补偿电流，以满足补偿对象的需求。

3.3有源补偿的优势及结论
有源补偿的优势具体体现在以下3个方面：1）防止并联电容器组对谐波的放大。

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。

当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对某次谐波发生振荡，从而对该次谐波起放大作用，危及电容本身和附近的电气设备。

在对电容器组的部分支路采取改造措施后（改为滤波器），或采用串联电抗器的方式，可抑制电容器组对谐波的放大作用，改善运行环境。

2）增设静止无功补偿装置。

电弧炉、卷扬机等装置在运行期间存在快速变化的谐波源，同时伴有供电电压的波动和闪变现象，甚至在特殊情况下会出现系统电压三相失衡的局面，导致公用电网难以维持正常工作状态，电能质量大幅下降。

对此，在精准锁定谐波源后，于该处以并联的方式设置静止无功补偿装置，此举有助于减少波动的谐波量，克服三相不平衡的问题，也能在一定程度上补偿功率因素。

3）改善供电环境。

正确选用供电电压，切实维护三相电压的均衡性与稳定性，此举有助于削弱谐波对电网产生的影响。

谐波源的供电对象为高一级电压的电网，架设专门的线路，以满足谐波源负荷的供电需求，以免因谐波的存在对其他负荷带来负面影响。

在该工作机制下可抑制甚至完全消除高次谐波。

较之于对称补偿技术，此处所提的有源补偿技术的综合应用优势更为显著，高度可控、快速响应，可以根据需
求补偿各次谐波，缓解甚至解决闪变、补偿无功的问题；成本方面，滤波特性并不会受到系统阻抗的干扰，避免了与系统阻抗发生谐振的问题。

在容量逐步加大的行业发展背景下，有源滤波技术的应用优势逐步显现，应将其视为改善电能质量的关键技术，并扩宽其适用范围，打破以往仅补偿用户自身谐波的束缚，将其延伸至整个电力系统中，切实提高整体的电能质量。

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。

参考文献：
［1］陈民武，刘若飞，陈玲，等.组合式同相供电系统补偿算法与控制策略优化［J］.电机与控制学报，2019，23（8）：28-34，42.
［2］张志文，石建可，谢斌，等.基于Y/>▽平衡变压器的新型电铁电能质量综合补偿系统［J］.电力系统及其自动化学报，2017，29（12）：83-90.。