［關(guān)鍵詞］電氣化鐵路；同相供電；自動(dòng)過分相

電氣化鐵路是大宗移動(dòng)性單相負(fù)荷，大多數(shù)國家采用單相單邊供電方式，會(huì)在三相電網(wǎng)產(chǎn)生大量負(fù)序電流，對(duì)電網(wǎng)供電品質(zhì)帶來一系列不利影響，尤其是重載貨運(yùn)線路，機(jī)車載重大，線路坡道大，產(chǎn)生的負(fù)序電流也很大，三相電壓不平衡度易超標(biāo)。此外，針對(duì)重載貨運(yùn)線路，經(jīng)常出現(xiàn)一臂重載、一臂輕載，尤其是重載機(jī)車在大坡道運(yùn)行時(shí)，一供電臂負(fù)荷電流很大，牽引變壓器容量利用率低、三相負(fù)序嚴(yán)重，易造成變電所變壓器過負(fù)荷和負(fù)序跳閘。隨著我國高速與重載鐵路的迅速發(fā)展，列車單機(jī)牽引功率和發(fā)行密度不斷提高，上述問題更加顯著，因此對(duì)牽引供電系統(tǒng)容量、利用率等提出更高要求。

隨著功率開關(guān)器件制造技術(shù)和大功率變流技術(shù)的發(fā)展，電氣化鐵路電力電子化是一種解決上述問題的有效方法，且大功率變流技術(shù)在牽引變電領(lǐng)域得到了逐步應(yīng)用。同相供電技術(shù)是一種典型代表，指相鄰供電區(qū)間的接觸網(wǎng)電壓相位一致的牽引供電方式，典型實(shí)現(xiàn)方式為在牽引變電所通過交直交變流器實(shí)現(xiàn)電壓變換，形成單一電壓源向列車負(fù)荷供電。地面自動(dòng)過分相是在牽引變電所或分區(qū)所采用高壓斷路器或晶閘管閥組實(shí)現(xiàn)將中性區(qū)與某一供電臂接通，使得列車帶電通過中性區(qū)。

為進(jìn)一步改進(jìn)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)，文章提出一種虛擬貫通式同相供電系統(tǒng)，結(jié)合變電所同相供電和分區(qū)所地面自動(dòng)過分相技術(shù)，形成虛擬式全線同相貫通的牽引供電系統(tǒng)，在滿足現(xiàn)階段電網(wǎng)運(yùn)行條件下提升牽引供電系統(tǒng)供電品質(zhì)與列車過分相性能。

1 虛擬貫通式同相供電

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬貫通式同相供電系統(tǒng)主要由牽引變電所同相供電子系統(tǒng)和分區(qū)所地面自動(dòng)過分相子系統(tǒng)構(gòu)成。同相供電子系統(tǒng)采用“牽引變壓器+變流器”的形式輸出單相電壓，實(shí)現(xiàn)同一牽引變電所對(duì)應(yīng)的供電區(qū)間接觸網(wǎng)電壓同相位。分區(qū)所地面自動(dòng)過分相子系統(tǒng)從某一供電臂取電，經(jīng)變流器向中性區(qū)接觸網(wǎng)供電，實(shí)現(xiàn)中性區(qū)帶電行車且采用調(diào)幅移相的方式調(diào)節(jié)中性區(qū)電壓，使列車帶電帶載無感知通過分相區(qū)。虛擬貫通式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 變電所同相供電

變電所同相供電，以采用Scott牽引變壓器的典型結(jié)構(gòu)為例，變壓器低壓側(cè)M座輸出端與牽引母線連接，T座輸出端與同相供電變流機(jī)組連接，共同向牽引負(fù)荷供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，變流器可以采用兩電平多重化或多電平結(jié)構(gòu)形式，如圖2（b）所示。

同相供電系統(tǒng)主要功能有：①可取消變電所出口處電分相，避免列車過分相速度損失，減小車載電氣設(shè)備故障率；②提高接觸網(wǎng)供電品質(zhì)，尤其是減小三相電網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流，降低電網(wǎng)電壓不平衡度，解決現(xiàn)我國部分鐵路負(fù)序超標(biāo)問題。此外，還可兼顧一定程度的無功補(bǔ)償與諧波抑制。

1.3 分區(qū)所地面自動(dòng)過分相

采用基于全控型功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)地面自動(dòng)過分相，通過變流器向中性區(qū)供電，并通過調(diào)幅移相的方式調(diào)整中性區(qū)電壓，實(shí)現(xiàn)列車帶電、帶載平滑通過中性區(qū)。圖3為地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及變流器典型拓?fù)?，圖4為中性區(qū)電壓調(diào)幅移相示意圖。該系統(tǒng)主要功能及特征如下：①輸出側(cè)變壓器串聯(lián)至某一供電臂與中性區(qū)之間，僅需輸出目標(biāo)電壓與供電臂電壓之差，所與輸出側(cè)變壓器并聯(lián)接入中性；②通過調(diào)幅移相方式向中性區(qū)供電，等效于全線同相貫通，列車可實(shí)現(xiàn)無感知過分相。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 變電所同相供電

設(shè)定電網(wǎng)電壓為110kV，牽引網(wǎng)額定電壓為27.5kV，帶載4MVA。在0.3s時(shí)同相供電機(jī)組投入運(yùn)行，同相供電變流機(jī)組波形如圖5所示，電網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形如圖6所示。由此可知，同相供電變流機(jī)組輸入側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行，其輸出電流與Scott變壓器M座相同，實(shí)現(xiàn)了T座和M座均衡輸出，電網(wǎng)側(cè)電流平衡。

2.2 分區(qū)所地面自動(dòng)過分相

設(shè)定列車由α相供電臂向β相供電臂行駛，由地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)向中性區(qū)供電，中性區(qū)電壓與α相供電臂相同。當(dāng)列車駛?cè)胫行詤^(qū)后，在0.8s時(shí)地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)輸出電壓開始調(diào)幅移相，經(jīng)過0.1s使中性區(qū)電壓逐漸變換與β相供電臂相同。供電臂與中性區(qū)電壓波形如圖7所示，列車負(fù)載電流波形如圖8所示。列車整個(gè)過程持續(xù)供電，無暫態(tài)沖擊。

3 結(jié)束語

文章提出一種虛擬貫通式同相供電系統(tǒng)，由變電所同相供電和分區(qū)所地面自動(dòng)過分相構(gòu)成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)負(fù)序等電能質(zhì)量治理、提高牽引變壓器容量利用率，綜合提高供電能力和供電品質(zhì)，還可以通過調(diào)幅移相的方式向接觸網(wǎng)中性區(qū)供電，實(shí)現(xiàn)列車帶電、帶載通過分相區(qū)。