周方圓，陳 鵬，吳麗然

(1.株洲中車時代電氣股份有限公司，株洲 412001；2.西南交通大學電氣工程學院，成都 610031)

電氣化鐵路運能大、速度快，具有明顯經(jīng)濟效益并且仍將是未來鐵路發(fā)展的重要方向[1]。單相交流牽引供電系統(tǒng)在電氣化鐵路應用最為廣泛，但是其存在電分相、負序、諧波等問題[2]，這些問題制約單相交流牽引供電系統(tǒng)優(yōu)勢發(fā)揮。單相交流牽引供電系統(tǒng)針對以上問題采取對應措施，如電分相問題各國采取車載過分相、地面過分相等方式，針對電能質(zhì)量問題采SVC、RPC等治理措施。同相供電可以綜合治理過分相和電能質(zhì)量問題，國內(nèi)外都已有工程應用，而適合我國國情的同相供電技術仍在改進和完善[1-3]。

本文對各國單相交流牽引供電系統(tǒng)關鍵技術現(xiàn)狀進行總結的基礎上，結合儲能和新能源背景描繪單相交流牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 各國主要牽引供電制式

電氣化鐵路大部分采用單相交流牽引供電，但是各國的牽引供電制式有所不同，德國等中、北歐國家受歷史影響采用16.7 Hz單相交流供電[3-4]，法國、英國等國家電網(wǎng)電壓等級高、短路容量大，采用單相變壓器給鐵路供電[4]，而日本受某些地區(qū)薄弱電網(wǎng)影響采用Scott平衡變壓器給鐵路供電[5]，我國采用單相工頻交流牽引供電方式[6]。各國主要牽引供電制式見表1。

表1 各國主要牽引供電制式一覽

2 國內(nèi)外過分相技術

為使電力系統(tǒng)三相盡量平衡，電氣化鐵路采用分段換相供電，接觸網(wǎng)上兩相中間需設置絕緣無電中性區(qū)，由此產(chǎn)生電分相。機車過分相過程存在短時斷電，給列車帶來速度損失和安全隱患，換相過程的過壓、過流嚴重時可能燒毀車載設備[7]。

2.1 車載過分相技術

歐洲許多國家采用單相變壓器給鐵路供電，省去變電所出口處過分相，且牽引供電系統(tǒng)一般接入高電壓等級三相電網(wǎng)，短路容量較大，供電距離長，電分相數(shù)量少。這些國家針對過分相問題一般追求簡單實用，采用車載自動過分相方式，如英國和德國就采用這種過分相方式[7]。

我國高鐵普遍采用車載自動過分相[8]，列車檢測地面?zhèn)鞲衅餍盘栕詣印皵唷?、“合”車載主斷路器，惰行通過中性區(qū)。該方式適應多速度列車要求，但過分相斷電時間較長，速度損失嚴重；需開/閉車載主斷，對車載設備存在暫態(tài)沖擊，需要相關保護。

2.2 柱上開關自動過分相技術

柱上開關自動過分相方式以瑞士為代表，我國原福州鐵路分局20世紀90年代采購過2套柱上開關自動過分相裝置[7]。該裝置通過磁控線包控制真空開關分、合閘操作，縮短電力機車過分相的距離和斷電時間，司機可不操縱機車使其惰行過分相。該裝置在我國實際應用時需對機車控制系統(tǒng)進行相應改造，且分相區(qū)結構復雜，換相過程過壓、過流嚴重。

2.3 地面自動過分相技術

2.3.1 機械開關型

圖1 機械開關型過分相(日本)

地面自動過分相以日本為代表，早期切換開關多采用真空斷路器(圖1)。該過分相方式主要問題在于過分相過程中300 ms左右的斷電時間較長，真空斷路器控制不夠精確，無法控制合閘相位，真空開關開/閉過程中的過壓、過流比較嚴重[9]，且真空斷路器的壽命較短，后期維護頻繁且維護成本較大。

西安鐵路局科研所20世紀90年代研制帶有智能選相功能的真空斷路器過分相(圖2)。實現(xiàn)在主斷路器工作情況下轉換時間小于(0.13±0.02) s，備用斷路器下小于(0.4±0.05) s；該裝置后期維護成本較高，但在神朔、寶成等多坡、重載鐵路大量采用[10]。

圖2 機械開關型過分相(西鐵科)

2.3.2 電子開關型(圖3)

機械開關型過分相其控制和壽命上存在固有缺點，日本逐漸采用電子開關型過分相代替[9]，采用晶閘管閥組代替真空斷路器，晶閘管可控性強、響應快、可靠性高、維護費用低。且斷電時間和換相時間都大大縮短，可精確控制開/閉角，可緩解電壓、電流暫態(tài)沖擊。西班牙也采用了該方案，裝置采用模塊化設計，方便后期更換和維護[11]。國內(nèi)學者對電子開關型過分相展開過研究，也在開展電子開關型過分相的工程化應用。

圖3 電子開關型過分相

2.3.3 柔性過分相技術

盡管電子開關相比于機械開關過分相性能改進很大，對開/閉相位的控制、抑制暫態(tài)沖擊等很有幫助，但是列車仍有很短暫的斷電時間，無法實現(xiàn)完全不斷電過分相。日本鐵路研究機構提出基于過分相供電系統(tǒng)(Changeover Section Power System， CSPS)的地面自動過分相裝置[12]。

該裝置主要包括3種控制：電壓調(diào)幅和移相控制，負載傳輸控制，輸出限制控制。列車在過分相過程中，CSPS裝置通過3種控制實現(xiàn)列車平滑不斷電通過電分相[12]。如圖4所示。

圖4 不斷電過分相

國內(nèi)學者也對不斷電過分相(柔性過分相)進行了研究并提出相關方案[13]，目前我國中船重工712所和中車株洲所都在開展柔性過分相工程化應用。柔性過分相需要配套安裝隔離變壓器和大容量的電力電子裝置，成本相對來說較高。

3 電能質(zhì)量治理

制約單相交流牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的除了電分相問題，還有電能質(zhì)量問題，其不但影響電氣化鐵路的安全、高效運行，同時也是電力部門和鐵路部門關注焦點所在，如鐵路部門因為功率因數(shù)問題每年被電力部門罰款，增加了鐵路的運營成本。

主要介紹SVC、RPC、STATCOM 3種常用電能質(zhì)量治理方式，同相供電將在下文介紹。各國鐵路受牽引供電制式和地區(qū)電網(wǎng)特點影響，采取側重點不同的治理方式。

3.1 靜止無功補償器(SVC)

歐洲鐵路一般采用單相變壓器供電，系統(tǒng)側連接大容量電網(wǎng)以緩解鐵路電能質(zhì)量問題對電力系統(tǒng)的影響[4]。單相變壓器負序問題比較嚴重，歐洲通常采用基于Steinmets法[14]的SVC方案進行補償。如圖5所示。

圖5 SVC的Steinmets法補償

1987年，澳大利亞昆士蘭鐵路的三相132 kV電網(wǎng)側安裝9套SVC裝置用來治理負序問題和動態(tài)負載平衡，總安裝容量達到600 MVA，是世界上鐵路SVC安裝容量最大的一處工程。

SVC在我國各鐵路局應用廣泛，主要安裝于牽引供電臂末端補償線路無功損失，提高功率因數(shù)。隨著交直交機車逐漸取代交直機車，功率因數(shù)提高，SVC在鐵路的應用逐漸飽和，部分使用交直機車的西部鐵路和無功補償改造項目仍有此需求。

3.2 靜止無功同步補償器(STATCOM)

當補償接入點的電壓發(fā)生變化的時候，SVC的補償效果并不理想，STATCOM可彌補這一缺點，響應時間達20 ms，速度更快。日本將STATCOM安裝于三相電網(wǎng)側用于于消除負序分量(圖6)，從1993年，在東海道新干線安裝了5套34/60MVA的STATCOM用于無功和負序補償、低次諧波治理、抑制電壓波動[15]。

圖6 三相電網(wǎng)側的STATCOM

STATCOM占用空間小，受端電壓影響小，但是成本較之于SVC高出許多，控制方式上也比SVC復雜，目前在我國鐵路應用較少，未來隨著功率器件成本下降，STATCOM在鐵路無功和負序補償方面將有不錯前景[16]。

3.3 鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC)

平衡變壓器在日本使用最廣泛，日本普遍使用Scott平衡變壓器，這與日本鐵路行車密度高有一定關系。為了發(fā)揮Scott平衡變壓器效果，日本在Scott變壓器兩臂之間安裝鐵路功率調(diào)節(jié)器RPC(圖7)，補償兩臂的全部無功，以及在兩臂間傳輸有功，實現(xiàn)兩臂有功平衡[17]。日本鐵路先后有2套20 MVA RPC(東北新干線)和6套20/60 MVA RPC(東海道新干線)投運，投運后系統(tǒng)側負序指標明顯改善[9，17]。

圖7 RPC結構

我國首套RPC裝置于2015年在常德石門牽引變電所成功投運，顯著提高了該變電所的功率因數(shù)，系統(tǒng)側三相不平衡度大大降低，電壓波動和諧波電壓畸變率明顯改善，同時提高變壓器的設備利用率。

4 同相供電技術

單相交流牽引供電系統(tǒng)采用同相供電技術可綜合治理過分相問題和電能質(zhì)量問題[18]。

4.1 國外同相供電現(xiàn)狀

歐洲最早開展鐵路變頻供電的研究應用，早期采用旋轉變頻機組，現(xiàn)普遍采用大功率頻率變換器SFC。其SFC主要有兩種結構：一種是NPC級聯(lián)交直交拓撲，模塊并聯(lián)以提高冗余度，實現(xiàn)牽引網(wǎng)和三相電網(wǎng)完全解耦；另一種是MMC直接變換型拓撲，輸出直接與接觸網(wǎng)相連，省卻輸出變壓器。

日本東海道新干線某些變電所采用EFC將50 Hz三相電變換為60 Hz單相給鐵路供電。2003年以來，先后有3套60 MVA EFC安裝運行，EFC具有實現(xiàn)同相供電能力[19]。

國外同相供電發(fā)展起步早，投入運行的工程安裝容量較大，成本高。德國、澳大利亞和日本的同相供電工程實際運行效果表明，同相供電不僅解決過分相問題和電能質(zhì)量問題，還實現(xiàn)牽引網(wǎng)和電網(wǎng)解耦，其貫通式同相供電很值得我國借鑒和學習。

4.2 國內(nèi)同相供電現(xiàn)狀

我國學者和研究單位一直致力于同相供電研究[1，2，18，20]，第一套同相供電裝置2010年在眉山牽引變電所投入運行，其結構如圖8所示。

該系統(tǒng)的主要功能有：取消變電所出口電分相，兼顧諧波和無功補償，補償負序，降低原邊三相不平衡度。該裝置經(jīng)過現(xiàn)場驗證，運行穩(wěn)定，安全可靠，2011年通過科技部組織專家鑒定驗收[2]。

圖8 眉山同相供電裝置結構

眉山同相供電裝置獲得成功后，2014年，世界首套“單三相組合式同相供電裝置”在山西中南重載鐵路投運，標志著我國同相供電技術及裝備開始進入工程化應用。組合式同相供電采用負序滿意補償，補償容量最小化，變壓器容量利用率最大化，變流器冗余備用可在線切換，提高系統(tǒng)供電可靠性。見圖9。

圖9 組合式同相供電結構

我國的同相供電以牽引變壓器為主，電力電子補償裝置為輔，降低了電力電子裝置安裝容量，具有成本優(yōu)勢，且變流器故障情況下可切換至牽引變壓器供電，雖然電能質(zhì)量下降，但是短時恢復列車供電，不影響列車運行[20]。

5 “綠色”牽引供電系統(tǒng)技術

未來隨著電力電子技術進步，制約單相交流牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的電分相和電能質(zhì)量問題將得到很好解決。我國乃至世界新能源發(fā)展迅速，鐵路作為電能消耗大戶也應響應這一潮流，提高新能源在鐵路供電中的占比，不僅包括動力用電，還應包括牽引供電。德國等歐洲國家相繼提出提高鐵路新能源用電占比，德國提出到2050年，德國鐵路將100%采用新能源供電，實現(xiàn)電氣化鐵路零碳排放。

電氣化鐵路再生制動能量利用率低，降低電氣化鐵路碳排放需將再生制動能量利用和新能源結合。儲能系統(tǒng)對單相交流牽引供電系統(tǒng)削峰填谷，將列車制動能量存儲用于列車加速情況下使用，可降低牽引供電系統(tǒng)安裝容量。

由于牽引負荷沖擊大，給新能源接入穩(wěn)定性帶來困難，儲能系統(tǒng)可以分擔牽引負荷給新能源帶來的沖擊；目前新能源用于牽引供電的技術還不成熟，未來隨著虛擬同步機技術[21]取得重大突破，新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性將大大提高，實現(xiàn)圖10的“綠色”牽引供電系統(tǒng)將成為可能。

圖10 “綠色”牽引供電系統(tǒng)技術

6 結論

本文對國內(nèi)外單相交流牽引供電系統(tǒng)的部分關鍵技術現(xiàn)狀進行了總結，單相交流牽引供電系統(tǒng)經(jīng)過歷史檢驗已顯示其優(yōu)越性，限制其優(yōu)勢發(fā)揮的過分相和電能質(zhì)量問題已通過相關關鍵技術得到治理。單相交流牽引供電系統(tǒng)未來必須順應節(jié)能減排的趨勢，以繼續(xù)推動電氣化鐵路發(fā)展，“綠色”牽引供電系統(tǒng)為未來電氣化鐵路單相牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展提供了新思路。